PL241051B1 - Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform - Google Patents

Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform Download PDF

Info

Publication number
PL241051B1
PL241051B1 PL433801A PL43380120A PL241051B1 PL 241051 B1 PL241051 B1 PL 241051B1 PL 433801 A PL433801 A PL 433801A PL 43380120 A PL43380120 A PL 43380120A PL 241051 B1 PL241051 B1 PL 241051B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
sers
platform
microorganisms
metal
bacteria
Prior art date
Application number
PL433801A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL433801A1 (en
Inventor
Tomasz Szymborski
Ariadna Nowicka
Marta Czaplicka
Joanna Trzcińska-Danielewicz
Agnieszka Girstun
Agnieszka Michota-Kamińska
Original Assignee
Inst Chemii Fizycznej Pan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Chemii Fizycznej Pan filed Critical Inst Chemii Fizycznej Pan
Priority to PL433801A priority Critical patent/PL241051B1/en
Publication of PL433801A1 publication Critical patent/PL433801A1/en
Publication of PL241051B1 publication Critical patent/PL241051B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/04Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N21/658Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób osadzania komórek nowotworowych lub bakterii na platformie SERS, obejmujący: przygotowanie platformy SERS, wprowadzenie zawiesiny bakterii, komórek nowotworowych w nośniku albo drożdży, przesyłanie sygnału elektrycznego do platformy SERS w celu osadzenia bakterii lub komórek nowotworowych na platformie, osuszenie platformy SERS z osadzonymi bakteriami lub komórkami nowotworowymi, rejestrację widma SERS, znamienny tym, w etapie a) platformę SERS umieszcza się w naczyniu pomiarowym i wprowadza się do naczynia pomiarowego przynajmniej jedną elektrodę metalową SERS, i w etapie c) przesyła się sygnał elektryczny do przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS i platformy SERS w celu uzyskania ujemnego efektu dielektroforetycznego, i sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS i platformy SERS przesyła się w czasie od 1 do 600 s, przy czym sygnał elektryczny ma częstotliwość od 1 kHz do 50 MHz, przy czym napięcie międzyszczytowe sygnału elektrycznego wynosi od 1 Vpp do 50 Vpp.The subject of the invention is a method of depositing tumor cells or bacteria on the SERS platform, comprising: preparing the SERS platform, introducing a suspension of bacteria, tumor cells in a carrier or yeast, transmitting an electrical signal to the SERS platform to deposit the bacteria or tumor cells on the platform, drying the SERS platform from with deposited bacteria or tumor cells, recording the SERS spectrum, characterized in that in step a) the SERS platform is placed in the measuring vessel and at least one SERS metal electrode is introduced into the measuring vessel, and in step c) the electrical signal is sent to at least one SERS metal electrode and the SERS platform to obtain a negative dielectrophoretic effect, and the electrical signal is transmitted to the metal SERS electrode and the SERS platform in 1 to 600 s, the electrical signal being at a frequency of 1 kHz to 50 MHz, the peak-to-peak voltage of the electrical signal being si from 1 Vpp to 50 Vpp.

Description

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych dzięki ujemnemu efektowi dielektroforetycznemu w celu ich oznaczenia za pomocą techniki powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii ramanowskiej na platformie SERS. Wynalazek znajduje zastosowanie w laboratoriach mikrobiologicznych.The present invention relates to a method of depositing microorganisms or neoplastic cells by a negative dielectrophoretic effect for their determination by means of surface enhanced Raman spectroscopy on the SERS platform. The invention finds application in microbiological laboratories.

Stan technikiState of the art

Powierzchniowo wzmacniany efekt Ramana (ang. Surface EnhancedRaman Scattering - SERS) został odkryty na początku lat 70. XX wieku przez Fleischmanna i współpracowników, którzy zaobserwowali silne wzmocnienie sygnału ramanowskiego dla pirydyny osadzonej na chropowatej powierzchni elektrody wykonanej ze srebra [1]. Zainteresowanie techniką SERS w naukach przyrodniczych wzrasta bardzo szybko ze względu na jej nieniszczący charakter, szybkość przeprowadzenia pomiarów oraz niezwykle wysoką czułość, która umożliwia identyfikację substancji o stężeniu 10-12 mol/dm3, jak również pojedynczych cząsteczek DNA, białek, bakterii, wirusów czy krążących komórek nowotworowych w krwi [2, 3].The Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) effect was discovered in the early 1970s by Fleischmann and colleagues who observed a strong amplification of the Raman signal for pyridine deposited on a rough electrode surface made of silver [1]. Interest in the SERS technique in life sciences is growing very quickly due to its non-destructive nature, speed of measurements and extremely high sensitivity, which allows the identification of substances with a concentration of 10-12 mol / dm 3 , as well as individual DNA molecules, proteins, bacteria, viruses or circulating tumor cells in the blood [2, 3].

Aby zaobserwować efekt SERS, potrzebne jest podłoże metaliczne, najczęściej jest to złoto oraz srebro (także w postaci ich stopów), które wzmacnia sygnał ramanowski. Ponadto powierzchnia metalu musi posiadać nierówności (pofałdowania, uskoki) lub agregaty w skali nanometrowej, najczęściej pomiędzy 10 nm a 100 nm [4, 5]. Wzmocnienie sygnału wynosi od 104 do 106, choć odnotowano wzmocnienia większe niż 1010 razy [6, 7]. Wielkość wzmocnionego sygnału SERS zależy m.in. od: częstotliwości promieniowania wzbudzającego (długości fali lasera), efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego, rodzaju badanego analitu (związku chemicznego lub materiału biologicznego), właściwości elektrycznych metalu, odległości cząsteczki od powierzchni oraz morfologii powierzchni (rozmiaru krystalitów i ich geometrii). Podłoża wykorzystywane do badań SERS można otrzymać m.in. poprzez metody elektrochemiczne, litograficzne, „szablonowe” czy wariacje metod chemicznego (CVD) i fizycznego (PVD) osadzania z fazy gazowej [8, 9]. Podłoża do badań SERS można w ogólności podzielić na dwie główne grupy: nanostrukturyzowane powierzchnie z metalu szlachetnego (Ag, Au, a także Cu, Pt, Pd) oraz nanostruktury na bazie nanocząstek i koloidów metali. Należy podkreślić, aby uzyskać platformę SERS wystarczy pokryć nanometrową warstwą złota lub srebra odpowiednią powierzchnię.To observe the SERS effect, a metallic substrate is needed, most often gold and silver (also in the form of their alloys), which amplify the Raman signal. Moreover, the metal surface must have irregularities (corrugations, faults) or aggregates on the nanometer scale, most often between 10 nm and 100 nm [4, 5]. The signal gain ranges from 104 to 106, although gains greater than 10–10 times have been reported [6, 7]. The size of the amplified SERS signal depends, among others, on from: frequency of excitation radiation (laser wavelength), effective Raman cross-section, type of analyte tested (chemical compound or biological material), electrical properties of the metal, distance of the molecule from the surface and surface morphology (size of crystallites and their geometry). The substrates used for SERS tests can be obtained, among others by electrochemical, lithographic, "template" methods or variations of chemical (CVD) and physical (PVD) vapor deposition methods [8, 9]. SERS test substrates can generally be divided into two main groups: nano-structured noble metal surfaces (Ag, Au as well as Cu, Pt, Pd) and nano-structures based on metal nanoparticles and colloids. It should be emphasized that to obtain the SERS platform, it is enough to cover the appropriate surface with a nanometer layer of gold or silver.

W celu odseparowania/nałożenia odpowiedniej ilość mikroorganizmów lub komórek nowotworowych i agregowania ich w jednym miejscu na platformie SERS można zastosować następujące metody:The following methods can be used to separate / overlay an appropriate number of microorganisms or neoplastic cells and aggregate them in one place on the SERS platform:

II) filtracja mechaniczna: polegająca na zastosowaniu membran o odpowiednich rozmiarach porów, które umożliwiają zatrzymanie mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na ich powierzchni, a które mogą jednocześnie stanowić podłoże SERS aktywne, jak również umożliwiać odprowadzenie zbędnych płynów [10],II) mechanical filtration: consisting in the use of membranes with appropriate pore sizes that allow the retention of microorganisms or neoplastic cells on their surface, and which can also be an active SERS substrate, as well as allow the discharge of unnecessary fluids [10],

III) separacja i/lub pułapkowanie magnetyczne: wykorzystujące nanocząstki magnetyczne, które dzięki odpowiedniej modyfikacji chemicznej są w stanie przyłączać się do bakterii lub komórek nowotworowych. Znajdujące się w zawiesinie nanocząstki złota lub srebra wzmacniają sygnał ramanowski [11], lub cząstki magnetyczne odpowiednio sfunkcjonalizowane mogą być jednocześnie separatorem i wzmacniać sygnał Ramana [12],III) magnetic separation and / or trapping: using magnetic nanoparticles which, thanks to appropriate chemical modification, are able to attach to bacteria or cancer cells. Gold or silver nanoparticles in suspension strengthen the Raman signal [11], or properly functionalized magnetic particles can simultaneously act as a separator and amplify the Raman signal [12],

IIII) modyfikacje chemiczne powierzchni oraz samych mikroorganizmów: z wykorzystaniem powłok polimerowych, przeciwciał lub innych materiałów [13].IIII) chemical modifications of the surface and of the microorganisms themselves: with the use of polymer coatings, antibodies or other materials [13].

Możliwe jest również łączenie kilku metod separowania/osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych np. modyfikacja podłoża umożliwiająca celowane wyłapanie odpowiednich komórek, a następnie naniesienie ich dopiero na badane podłoże SERS [14, 15].It is also possible to combine several methods of separation / deposition of microorganisms or neoplastic cells, eg modification of the substrate enabling the targeted capture of appropriate cells, and then applying them only to the tested SERS substrate [14, 15].

Jak już wspomniano wcześniej dielektroforeza może być uniwersalną techniką do wykrywania, analizy, separacji, frakcjonowania czy zagęszczania wszelkiego rodzaju materiałów w tym materiałów biologicznych. W odniesieniu do komórek nowotworowych pokazano możliwość zastosowania dielektroforezy do oceny oporności komórek nowotworowych na wybrane leki [20], odseparowywanie różnych rodzajów komórek nowotworowych od siebie np. prostaty i raka jelita grubego [21], piersi i okrężnicy [22] czy wyłapywanie krążących komórek nowotworowych z osocza krwi od pacjentów [17, 23].As already mentioned, dielectrophoresis can be a universal technique for detecting, analyzing, separating, fractionating or concentrating all kinds of materials, including biological materials. In relation to neoplastic cells, the possibility of using dielectrophoresis to assess the resistance of neoplastic cells to selected drugs [20], separating various types of neoplastic cells from each other, e.g. prostate and colon cancer [21], breast and colon [22] or catching circulating neoplastic cells was shown from blood plasma from patients [17, 23].

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2009/0229980A1 przedstawiono układ dielektroforetyczny, z odpowiednio zaprojektowanymi elektrodami, służący do charakterystyki i wykrywania zawieszonych cząstek stałych, w tym głównie materii biologicznej w tym m.in. wirusów, mikroorganizmów (np. bakterii) i komórek nowotworowych w małych objętościach bez konieczności stosowania znaczników chemicznych.The American patent application US2009 / 0229980A1 presents a dielectrophoretic system with appropriately designed electrodes for the characterization and detection of suspended solids, mainly biological matter, including e.g. viruses, microorganisms (e.g. bacteria) and tumor cells in small volumes without the need for chemical tracers.

Pojawiają się już prace, które próbują połączyć osadzanie komórek bakteryjnych lub nowotworowych przy pomocy dielektroforezy, a następnie badanie ich przy pomocy spektroskopii Ramana lub powierzchniowo wzmacnianej spektroskopii Ramana.There are already works that try to link the deposition of bacterial or cancer cells using dielectrophoresis and then study them using Raman spectroscopy or surface-enhanced Raman spectroscopy.

W pracy l.-F. Cheng i innych przedstawiono układ mikroprzepływowy wykorzystujący zjawisko dielektroforezy z chropowatą metalową powierzchnią wykonaną na szkle do osadzania/detekcji/identyfikacji bakterii z próbek krwi przy pomocy SERS. Schropowacona metalowa powierzchnia (Cr/Au) wykonana na szkle stanowiła platformę SERS, a sortowanie i koncentracja bakterii wykonywana była za pomocą trójwymiarowej dielektroforezy. Pozwoliło to na uzyskanie dobrego wzmocnienia sygnału badanych bakterii gram-dodatnich i ujemnych, jaki i ich identyfikację [24].At work, l.-F. Cheng et al. Presents a microfluidic system using the dielectrophoresis phenomenon with a rough metal surface made on glass for deposition / detection / identification of bacteria from blood samples using SERS. The roughened metal surface (Cr / Au) made on the glass was the SERS platform, and the sorting and concentration of bacteria was performed by means of three-dimensional dielectrophoresis. This allowed for a good amplification of the signal of the gram-positive and negative bacteria tested, as well as their identification [24].

W pracy H.-Y. Lin pokazano zintegrowane urządzenie mikroprzepływowe wykorzystujące efekt dielektroforetyczny oraz specjalnie przygotowane biosprzężone nanosondy SERS stanowiące platformę do wykrywania bakterii. Dzięki zastosowaniu takiego biosensora możliwa jest szybko identyfikacja nawet pojedynczej bakterii znajdującej się w zawiesinie [25].In the work of H.-Y. Lin shows an integrated microfluidic device using the dielectrophoretic effect and a specially prepared bioconjugated SERS nanoprobe constituting a platform for the detection of bacteria. Thanks to the use of such a biosensor, it is possible to quickly identify even a single bacterium in the suspension [25].

W pracy U.-J. Schroder i inni przedstawili układ mikroprzepływowy łączący zjawisko dielektoforezy i spektroskopię Ramana. Po wstępnej filtracji próbek klinicznych pochodzących od pacjentów chorych na zakażenie dróg moczowych, zawieszoną próbkę pacjenta wstrzykuje się do układu mikroprzepływowego, w którym bakterie są wychwytywane przy użyciu siły dielektroforetycznej (co umożliwia bezpośrednią translacyjną manipulację bakteriami w zawiesinach z przestrzennymi niejednorodnymi polami elektrycznymi). W miejscach powstania skupisk bakterii rejestrowane są widma Ramana bezpośrednio z zawiesiny. Jak pokazano w tej pracy, ta konfiguracja może potencjalnie skrócić czas d iagnozy kluczowych parametrów o rzędy wielkości [26].In the work of U.-J. Schroder et al. Presented a microfluidic system combining the phenomenon of dielectophoresis and Raman spectroscopy. After pre-filtration of clinical specimens from UTI patients, the suspended patient specimen is injected into a microfluidic system where bacteria are trapped using dielectrophoretic force (which allows direct translational manipulation of bacteria in suspensions with spatial heterogeneous electric fields). Raman spectra are recorded directly from the suspension in places where bacteria clusters are formed. As shown in this paper, this configuration has the potential to shorten the diagnosis time of key parameters by orders of magnitude [26].

W pracy F.R. Madiyar i innych przedstawiono układ do określania stężenia, wykrywania i monitorowania patogenów, w szczególności bakterii, będący połączeniem zjawiska dielektroforezy z nanoznacznikami SERS, które przyłączały patogeny za pomocą immunochemii. Pozwoliło to na zarejestrowanie widma pojedynczej bakterii z czasem wychwytu bakterii przy pomocy DEP poniżej 60 sekund [27].In the work of F.R. Madiyar et al. Presents a system for determining the concentration, detection and monitoring of pathogens, in particular bacteria, combining the phenomenon of dielectrophoresis with SERS nanotarkers that attached pathogens by immunochemistry. It allowed to record the spectrum of a single bacterium with the time of uptake of bacteria with DEP below 60 seconds [27].

W polskim zgłoszeniu patentowym P.406900 opisano „matę polimerową wytworzoną metodą Forcespinningu, czyli wyciągania włókna polimerowego przy pomocy siły odśrodkowej, które następnie przy pomocy metody PVD zostały pokryte warstwą złota. Umożliwiło to bezpośrednie osadzenie bakterii z cieczy, a otrzymane widma SERS charakteryzowały się dużym wzmocnieniem sygnału ramanowskiego. Natomiast w polskim patencie PL232520B1 przedstawiono maty z włókien polimerowych napylone złotem, które stanowiły zarówno platformę SERS, jak również filtr, na które osadzono bakterii bezpośrednio z cieczy (woda, mocz, osocze czy sok z jabłek) przy wykorzystaniu podciśnienia.The Polish patent application P.406900 describes "a polymer mat produced by the Forcespinning method, i.e. pulling a polymer fiber by centrifugal force, which was then covered with a layer of gold using the PVD method. This enabled the direct deposition of bacteria from the liquid, and the obtained SERS spectra were characterized by a high amplification of the Raman signal. On the other hand, the Polish patent PL232520B1 presents gold-sputtered polymer fiber mats, which constituted both the SERS platform, as well as a filter on which bacteria were deposited directly from the liquid (water, urine, plasma or apple juice) using negative pressure.

Głównym wyzwaniem w przypadku podłoży SERS jest uzyskanie wysokiego współczynnika wzmocnienia (ang. Enhancement Factor- EF) przy zapewnieniu im jednorodnej, powtarzalnej struktury przy niskich kosztach samego procesu wytwarzania takiego podłoża, jak również jego stabilność przez określony czas (np. miesiąc). W przypadku osadzania materiałów biologicznych (m.in. bakterie, wirusy, komórki nowotworowe) problemem jest również sposób osadzenia/nakładania ich na podłożach do badań, który w przypadku materiałów biologicznych zapewniałby ich dużą gęstość, dzięki czemu otrzymany sygnał charakteryzowałby się dużym wzmocnieniem. W publikacjach naukowych i patentach/zgłoszeniach patentowych nie ma informacji o optymalnym sposobie nakładania bakterii na podłoże wykorzystywane w pomiarach SERS. W przypadku próbek klinicznych kolejną przeszkodą jest niskie stężenie mikroorganizmów w płynach ustrojowych, które utrudnia wykrycie ich bezpośrednio w zawiesinie, dlatego też istotne jest wyłapanie/odseparowanie i zwiększenie gęstości badanych mikroorganizmów lub komórek nowotworowych z roztworów, w których są zawieszone (sól fizjologiczna, osocze, krew, mocz, płyn mózgowo-rdzeniowy i inne). Dodatkowo znane rozwiązanie często wymagają stosowani filtrów, pułapkowania czy modyfikacji chemicznej/biochemicznej powierzchni naczyń pomiarowych lub mikroorganizmów. Niespodziewanie powyższe problemy rozwiązał prezentowany wynalazek.The main challenge with SERS substrates is to obtain a high enhancement factor (EF) while providing them with a homogeneous, repeatable structure at low cost of the production process itself, as well as its stability for a specified period of time (eg a month). In the case of the deposition of biological materials (e.g. bacteria, viruses, cancer cells), the problem is also the method of depositing / applying them to the test substrates, which in the case of biological materials would ensure their high density, thanks to which the obtained signal would be characterized by high amplification. Scientific publications and patents / patent applications do not provide information on the optimal method of applying bacteria to the substrate used in SERS measurements. In the case of clinical samples, another obstacle is the low concentration of microorganisms in body fluids, which makes it difficult to detect them directly in the suspension, therefore it is important to catch / separate and increase the density of the tested microorganisms or tumor cells from the solutions in which they are suspended (saline, plasma, blood, urine, cerebrospinal fluid and others). In addition, the known solution often requires the use of filters, trapping or chemical / biochemical modification of the surface of measuring vessels or microorganisms. Unexpectedly, the above problems were solved by the present invention.

Celem wynalazku jest opracowanie metody osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS z wykorzystaniem ujemnego efektu dielektroforetycznego (n-DEP) i oznaczania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych z wykorzystaniem tych platform.The aim of the invention is to develop a method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the negative dielectrophoretic effect (n-DEP) and the determination of microorganisms or neoplastic cells using these platforms.

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

Istota wynalazkuThe essence of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS przy użyciu efektu dielektroforetycznego i oznaczania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS, obejmujący:The present invention relates to a method of depositing microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and determining the microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform, comprising:

a) przygotowanie platformy SERS,a) preparation of the SERS platform,

b) wprowadzenie zawiesiny mikroorganizmów albo komórek nowotworowych w nośniku do naczynia pomiarowego,b) introducing the suspension of microorganisms or tumor cells in the carrier into the measuring vessel,

c) przesyłanie sygnału elektrycznego do platformy SERS i elektrody metalowej SERS w celu osadzenia mikroorganizmów albo komórek nowotworowych na platformie SERS, d) osuszenie platformy SERS z mikroorganizmami albo komórkami nowotworowymi, e) rejestrację widma SERS, znamienny tym, w etapie a) platformę SERS umieszcza się w naczyniu pomiarowym i wprowadza się do naczynia pomiarowego przynajmniej jedną elektrodę metalową SERS, i w etapie c) przesyła się sygnał elektryczny do przynajmniej jednej elektrody SERS i platformy SERS w celu uzyskania ujemnego efektu dielektroforetycznego, i sygnał elektryczny do elektrody metalowej i platformy SERS przesyła się w czasie od 1 do 600 s, przy czym sygnał elektryczny ma częstotliwość od 1 kHz do 50 MHz, przy czym napięcie międzyszczytowe sygnału elektrycznego wynosi od 1 Vpp do 50 Vpp.c) transmitting an electrical signal to the SERS platform and the SERS metal electrode in order to deposit microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform, d) drying the SERS platform with microorganisms or neoplastic cells, e) recording the SERS spectrum, characterized in that in step a) the SERS platform is placed into the measurement vessel and at least one SERS metal electrode is introduced into the measurement vessel, and in step c) an electrical signal is transmitted to at least one SERS electrode and the SERS platform to obtain a negative dielectrophoretic effect, and the electrical signal to the metal electrode and SERS platform is transmitted for a period of 1 to 600 s, with the electrical signal frequency from 1 kHz to 50 MHz, with the peak-to-peak voltage of the electrical signal being from 1 Vpp to 50 Vpp.

W korzystnej realizacji wynalazku nośnik stanowi woda, bufor PBS, płyn ustrojowy pochodzenia ludzkiego albo zwierzęcego wybrany z grupy obejmującej: krew, osocze, płyn mózgowo-rdzeniowy albo mocz.In a preferred embodiment of the invention, the carrier is water, PBS buffer, a body fluid of human or animal origin selected from the group consisting of: blood, plasma, cerebrospinal fluid or urine.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku napięcie międzyszczytowe wynosi od 5 Vpp do 30 Vpp, a najkorzystniej od 10 Vpp do 20 Vpp.In a further preferred embodiment of the invention, the peak-to-peak voltage is from 5 Vac to 30 Vac, most preferably from 10 Vac to 20 Vac.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku sygnał elektryczny ma częstotliwość korzystniej w zakresie od 10 kHz do 20 MHz, a najkorzystniej w zakresie od 100 kHz do 10 MHz.In a further preferred embodiment of the invention, the electrical signal has a frequency more preferably in the range from 10 kHz to 20 MHz and most preferably in the range from 100 kHz to 10 MHz.

W jeszcze innej korzystnej realizacji wynalazku sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS przesyła się w czasie od 10 s do 360 s, a najkorzystniej pomiędzy od 30 s do 60 s.In yet another preferred embodiment of the invention, the electrical signal to the metal electrode SERS is transmitted in 10 s to 360 s, most preferably between 30 s to 60 s.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS przesyła się w czasie 60 s.In a further preferred embodiment of the invention, the electrical signal to the metal electrode SERS is sent within 60 seconds.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku sygnał elektryczny przesyłany do przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS i platformy SERS ma kształt sinusoidalny.In a further advantageous embodiment of the invention, the electrical signal transmitted to at least one SERS metal electrode and the SERS platform has a sinusoidal shape.

W innej korzystnej realizacji średnica przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS ma średnicę od 10 μm do 2 mm, korzystniej od 20 μm do 1 mm, a najkorzystniej od 50 μm do 500 μm. Im mniejsza średnica tym większy gradient pola elektrycznego, ale średnicy nie można zmniejszać w nieskończoność, gdyż od elektrody wymagana jest pewna sztywność ułatwiająca jej montaż i zwiększająca wytrzymałość mechaniczną.In another preferred embodiment, the diameter of the at least one SERS metal electrode is between 10 µm and 2 mm, more preferably between 20 µm and 1 mm, and most preferably between 50 µm and 500 µm. The smaller the diameter, the greater the electric field gradient, but the diameter cannot be reduced indefinitely, as a certain stiffness is required from the electrode to facilitate its assembly and increase its mechanical strength.

W innej korzystnej realizacji wynalazku średnica elektrody metalowej SERS wynosi 340 μm.In another preferred embodiment of the invention, the diameter of the SERS metal electrode is 340 µm.

Korzystnie po osadzeniu mikroorganizmów lub komórek nowotworowych, wyjmuje się platformę i odparowuje nośnik w temperaturze pokojowej albo podwyższonej. Zaleca się, by w trakcie osadzania nośnik, w którym osadzone są mikroorganizmy lub komórki nowotworowe, przykrywał platformę.Preferably, after deposition of the microorganisms or tumor cells, the platform is removed and the carrier evaporated at room or elevated temperature. During deposition, the carrier in which the microorganisms or the neoplastic cells are embedded preferably covers the platform.

W innej korzystnej realizacji wynalazku naczynie pomiarowe stanowi cylindryczny pojemnik z tworzywa sztucznego albo szkła, wybrany z grupy obejmującej: probówkę, fiolkę, tuleję.In another preferred embodiment of the invention, the measuring vessel is a cylindrical container made of plastic or glass, selected from the group consisting of: test tube, vial, sleeve.

W kolejnej innej korzystnej realizacji wynalazku naczynie pomiarowe stanowi układ mikrofluidyczny.In another preferred embodiment of the invention, the measuring vessel is a microfluidic system.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku układ mikrofluidyczny obejmuje dwa wloty cieczy nośnika, połączone z mieszalnikiem, które są połączone z kanałem do separacji komórek nowotworowych lub bakterii z nośnika, połączonego z komorą platformy SERS.In a further preferred embodiment of the invention, the microfluidic system comprises two carrier liquid inlets connected to a mixer which are connected to a duct for separating tumor cells or bacteria from the carrier connected to the SERS platform chamber.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku do komory platformy SERS układu mikrofluidycznego wprowadza się cztery elektrody metalowe SERS, przy czym elektrody metalowe SERS wprowadza się przez kanały w komorze SERS prostopadłe względem siebie, i elektrody metalowe SERS wprowadza się powyżej platformy SERS.In a further preferred embodiment of the invention, four metal SERS electrodes are introduced into the SERS platform chamber of the microfluidic system, the metal SERS electrodes are introduced through channels in the SERS chamber perpendicular to each other, and the metal SERS electrodes are introduced above the SERS platform.

W innej korzystnej realizacji wynalazku odległość pomiędzy końcami elektrod metalowych wprowadzonych do komory platformy SERS wynosi nie więcej niż 1 mm, korzystnie 0,5 mm. Im odległość jest mniejsza, tym efektywniej baterie/komórki nowotworowe osadzają się na platformie. Przy odległości mniejszej niż 0,5 mm pomiędzy elektrodami może dojść do zwarcia w układzie pomiarowym.In another preferred embodiment of the invention, the distance between the ends of the metal electrodes inserted into the SERS platform chamber is not more than 1 mm, preferably 0.5 mm. The shorter the distance, the more efficiently cancer batteries / cells are deposited on the platform. At a distance of less than 0.5 mm between the electrodes, a short circuit may occur in the measuring circuit.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku przynajmniej jedną elektrodę metalową SERS wprowadza się równolegle do przynajmniej jednej osi naczynia pomiarowego. Przez oś naczynia pomiarowego można rozumieć, w przypadku naczynia o kształcie cylindrycznym, oś, odpowiadającą osi symetriiIn a further advantageous embodiment of the invention, at least one SERS metal electrode is inserted parallel to at least one axis of the measuring vessel. The axis of the measuring vessel means, in the case of a cylindrical vessel, the axis corresponding to the axis of symmetry

PL 241 051 Β1 obrotowej naczynia pomiarowego. Natomiast w przypadku, gdy naczyniem pomiarowym jest układ mikrofluidyczny, przez oś naczynia pomiarowego można rozumieć przynajmniej jedną oś równoległą i pokrywająca się z kanałem do wprowadzania elektrody metalowej SERS do komory platformy SERS.PL 241 051 Β1 rotary measuring vessel. On the other hand, in the case where the measuring vessel is a microfluidic system, the axis of the measuring vessel can be understood as at least one axis parallel and coinciding with the channel for introducing the SERS metal electrode into the SERS platform chamber.

W jeszcze kolejnej korzystnej realizacji wynalazku platformę SERS stanowi elastyczna folia poddana dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu, korzystnie z poli(tereftalanu etylenu), pokrytego warstwą tlenku indowo-cynowego, na który została naniesiona warstwa srebra, złota albo stopu złoto-srebro.In yet another preferred embodiment of the invention, the SERS platform is a flexible dielectric barrier discharge foil, preferably of polyethylene terephthalate coated with a layer of indium tin oxide, to which a silver, gold or gold-silver alloy layer has been applied.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku sygnał elektryczny podaje się z generatora zmiennoprądowego.In a further preferred embodiment of the invention, the electrical signal is fed from an AC generator.

W jeszcze następnej korzystnej realizacji wynalazku komórki nowotworowe są wybrane z grupy obejmującej komórki: K562 białaczki szpikowej, HT-29 gruczolakoraka jelita grubego (0,1 Sm-1), BxPC3 raka trzustki, MCF7 raka piersi, HeLa raka szyjki macicy, LNCaP gruczolakoraka prostaty albo MBA-MD-231 raka piersi.In yet another preferred embodiment of the invention, the neoplastic cells are selected from the group consisting of: K562 myeloid leukemia, HT-29 colorectal adenocarcinoma (0.1 Sm -1 ), BxPC3 pancreatic carcinoma, MCF7 breast cancer, HeLa cervical carcinoma, LNCaP prostate adenocarcinoma or MBA-MD-231 of breast cancer.

W kolejnej innej korzystnej realizacji wynalazku mikroorganizmy są wybrane z grupy obejmującej bakterie.In another preferred embodiment of the invention, the microorganisms are selected from the group consisting of bacteria.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku bakterie stanowią bakterie gram ujemne.In a further preferred embodiment of the invention, the bacteria are gram-negative bacteria.

W jeszcze następnej korzystnej realizacji wynalazku bakterie gram ujemne są wybrane z grupy obejmującej: Escherichia coli K.38, Escherichia coli 5K albo Escherichia coli DoubleShell prolate.In yet another preferred embodiment of the invention, the gram-negative bacteria are selected from the group consisting of: Escherichia coli K.38, Escherichia coli 5K or Escherichia coli DoubleShell prolate.

W innej korzystnej realizacji wynalazku drożdże są wybrane z grupy obejmującej: Saccharomyces cerevisiae albo Saccharomyces cerevisiae.In another preferred embodiment of the invention, the yeast is selected from the group consisting of: Saccharomyces cerevisiae or Saccharomyces cerevisiae.

W jeszcze innej korzystnej realizacji wynalazku platforma SERS ma kształt dopasowany do kształtu naczynia pomiarowego.In yet another preferred embodiment of the invention, the SERS platform is shaped to match the shape of the measurement vessel.

W następnej innej korzystnej realizacji wynalazku platforma SERS ma kształt litery „L”.In another preferred embodiment of the invention, the SERS platform is L-shaped.

W celu osadzenia wybranych mikroorganizmów lub komórek nowotworowych wykorzystano w wynalazku zjawisko dielektroforezy (DEP), które stanowi podstawową technologię do separacji cząsteczek w oparciu o ich manipulację w niejednolitych polach elektrycznych.In order to deposit selected microorganisms or neoplastic cells, the invention uses the phenomenon of dielectrophoresis (DEP), which is a basic technology for the separation of molecules based on their manipulation in non-uniform electric fields.

Zjawisko dielektroforetyczne zostało opisane w latach 50. XX wieku przez Pohla, który opisał ruch cząsteczek w niejednorodnym polu elektrycznym [16]. Dielektroforeza polega na ruchu obiektów spowodowanym przyłożeniem niejednorodnego zmiennego pola elektrycznego. Pod wpływem działania tego pola obiekt porusza się w kierunku większego zagęszczenia linii pola elektrycznego (dielektroforeza dodatnia, p-DEP) lub w kierunku obszaru o mniejszym zagęszczeniu linii pola elektrycznego (dielektroforeza ujemna, n-DEP). Co istotne, w przypadku dielektroforezy, w odróżnieniu do elektroforezy, obiekt nie musi posiadać ładunku elektrycznego na swojej powierzchni. Bardziej szczegółowo zjawisko dielektroforezy można opisać następująco. Stacjonarne niejednorodne pole elektryczne E działające na sferyczną cząsteczkę umieszczoną w ciekłym medium o przenikalności elektrycznej em powoduje działanie siły dielektroforetycznej, którą opisujemy równaniem (1):The dielectrophoretic phenomenon was described in the 1950s by Pohl, who described the movement of molecules in a heterogeneous electric field [16]. Dielectrophoresis is the movement of objects caused by the application of a heterogeneous alternating electric field. Under the influence of this field, the object moves towards a greater density of electric field lines (positive dielectrophoresis, p-DEP) or towards an area with lower density of electric field lines (negative dielectrophoresis, n-DEP). Importantly, in the case of dielectrophoresis, unlike electrophoresis, the object does not have to have an electric charge on its surface. The phenomenon of dielectrophoresis can be described in more detail as follows. The stationary heterogeneous electric field E acting on a spherical particle placed in a liquid medium with a permittivity e m causes the dielectrophoretic force, which is described by the equation (1):

^dep = ^3£mfCM^\E\ , (1) gdzie fCM jest rzeczywistą częścią czynnika Claussiusa-Mossottiego, który zawiera informację o właściwościach dielektrycznych, tj. przenikalności elektrycznej oraz przewodnictwie elektrycznym medium i obiektów w nich umieszczonych [17]:^ dep = ^ 3 £ m f CM ^ \ E \, (1) where f CM is the real part of the Claussius-Mossotti factor, which contains information about the dielectric properties, i.e. the permittivity and electrical conductivity of the medium and objects placed in it [17 ]:

gdzie:where:

E - natężenie pola elektrycznego (V/m), r - promień obiektu (np. bakterii lub komórki nowotworowej), ερ - przenikalność elektryczna obiektu, es- przenikalność elektryczna cieczy, w której zawieszone są obiekty.E - electric field strength (V / m), r - radius of the object (e.g. bacteria or cancer cell), ε ρ - object electric permeability, e s - electric permeability of the liquid in which the objects are suspended.

Pierwsze próby wykorzystania tego zjawisko dla materiałów biologicznych (drożdży) do segregacji komórek żywych i martwych zostały pomyślnie wykonane w latach 60. XX wieku przez Pohla [18]. W celu segregacji różnego rodzaju cząsteczek wykorzystuje się różnice w ich wielkość jak również właściwościach dielektrycznych (przewodnictwo i/lub przenikalność elektryczną) [19]. Należy w odpowiedni sposób dobrać parametry procesu w tym częstotliwość zmiennego pola elektrycznego, jego natężenie oraz przewodnictwo elektryczne medium, w którym zawieszone są obiekty.The first attempts to use this phenomenon for biological materials (yeast) for the segregation of living and dead cells were successfully made in the 1960s by Pohl [18]. In order to segregate different types of molecules, differences in their size as well as dielectric properties (conductivity and / or electric permeability) are used [19]. The process parameters, including the frequency of the alternating electric field, its intensity and the electrical conductivity of the medium in which the objects are suspended, should be properly selected.

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

Sposób wg wynalazku umożliwia uzyskanie dużej gęstości materiału badanego (komórki, mikroorganizmy) na podłożu SERS, przy niskim jego stężeniu w badanej próbce, przy czym samo podłoże SERS zapewnia duże wzmocnienie sygnału mierzonego. Ponadto rozwiązanie wg wynalazku umożliwia przeprowadzenie procesu osadzania w prosty i niskokosztowy sposób niezależnie od rodzaju próbki biologicznej. Przy czym do osadzenia nie jest konieczne wykorzystywanie dodatkowych środków (filtry, pułapkowanie czy modyfikacja chemiczna/biochemiczna powierzchni naczyń pomiarowych lub mikroorganizmów).The method according to the invention makes it possible to obtain a high density of the test material (cells, microorganisms) on the SERS medium, at its low concentration in the test sample, while the SERS medium itself provides a high amplification of the measured signal. Moreover, the solution according to the invention enables the deposition process to be carried out in a simple and low-cost manner, regardless of the type of biological sample. However, for deposition it is not necessary to use additional measures (filters, trapping or chemical / biochemical modification of the surface of the measuring vessels or microorganisms).

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, przy czym w celu zobrazowania realizacji sposobu według wynalazku elementy zostały ponumerowane, tak by elementowi, pełniącemu tę samą funkcję w każdym przykładzie realizacji, odpowiadało podobne oznaczenie, np. w pierwszym przykładzie realizacji elektroda metalowa jest oznaczona jako 1-2, a w drugim przykładzie realizacji 2-2, z kolei w przykładzie trzecim elektrody metalowe są oznaczone jako 3-2 itd. Na rysunku przedstawiono:The invention will now be illustrated in more detail in the preferred embodiments with reference to the accompanying drawing, the elements being numbered to illustrate the implementation of the method according to the invention, so that the element having the same function in each embodiment has a similar reference, e.g. In an embodiment, the metal electrode is designated 1-2 and in the second embodiment, 2-2, in the third embodiment, the metal electrodes are designated 3-2, and so on.

Fig. 1 Wykres rzeczywistej części czynnika Claussiusa-Mossottiego (CM, wyrażenie 2.) w zależności od częstotliwości przemiennego pola elektrycznego. (a) Wykres dla komórki nowotworowej HeLa. Ujemny efekt dielektroforetyczny występuje dla częstotliwości poniżej 347 kHz; (b) wykres dla bakterii Escherichia coli. Ujemny efekt dielektroforetyczny występuje dla częstotliwości poniżej 304 kHz. Obliczenia zostały wykonane dla komórki nowotworowej HeLa i bakterii E. coli umieszczonej w 10-krotnie rozcieńczonym wodnym roztworze buforowanej fosforanem soli fizjologicznej (PBS) o pH = 7.4. Na wykresach zaznaczono pionową przerywaną linią częstotliwość przejścia pomiędzy ujemnym DEP (n-DEP) a dodatnim DEP (p-DEP);Fig. 1 Plot of the real part of the Claussius-Mossotti factor (CM, expression 2.) versus the frequency of the alternating electric field. (a) Graph for HeLa tumor cell. A negative dielectrophoretic effect occurs at frequencies below 347 kHz; (b) a graph for Escherichia coli. A negative dielectrophoretic effect occurs at frequencies below 304 kHz. Calculations were made for HeLa tumor cells and E. coli bacteria placed in a 10-fold diluted aqueous solution of phosphate buffered saline (PBS) at pH 7.4. The diagrams show the frequency of the transition between negative DEP (n-DEP) and positive DEP (p-DEP) with a vertical dashed line;

Fig. 2 Schemat ideowy korzystnego wykorzystania zjawiska dielektroforezy do osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych w geometrii cylindrycznej. (a) Korzystna realizacja elastycznej elektrody będącej równocześnie platformą SERS, w kształcie litery L 1-1. W dolnej części znajduje się folia PET/ITO poddana wyładowaniu DBD, która jest aktywna SERS-owsko 1-1-1. Cześć górna 1-1-2 jest pokryta warstwą przewodzącego metalu, dzięki czemu możliwe jest podłączenie do niej sygnału z generatora funkcji (1-6). Szerokość a jest definiowana przez promień R cylindra 1-3, w którym są umieszczane elektrody. (b) Użycie platformy SERS do osadzania bakterii lub komórek nowotworowych. W osi cylindra jest włożona elektroda metalowa SERS 1-2, o średnicy znacznie mniejszej niż średnica użytego cylindra 1-3. Obie elektrody: elastyczna elektroda, będąca platformą SERS 1-1, i elektroda metalowa SERS 1-2, są podłączane do źródła zmiennego pola elektrycznego (generatora funkcyjny, SIGLENT, SDG 2042X) 1-6. Przy braku sygnału (OFF) (fig. 2a) bakterie lub komórki nowotworowe 1-4 są swobodnie zawieszone w cieczy 1-5. Po włączeniu pola elektrycznego (ON) (fig. 2b) siła DEP powoduje ich osadzenie na elastycznej elektrodzie 1-1, a konkretnie na części aktywnej SERS-owsko 1-1-1 znajdującej się na ściance cylindra. (c) Rozkład pola elektrycznego w geometrii cylindrycznej wyliczony numerycznie przy pomocy metody elementów skończonych (Vpp = 20 V);Fig. 2 Schematic diagram of the advantageous use of the phenomenon of dielectrophoresis for the deposition of microorganisms or neoplastic cells in a cylindrical geometry. (a) A preferred embodiment of an L 1-1 shaped flexible electrode being SERS platform. In the lower part there is a DBD discharged PET / ITO film which is 1-1-1 SERS active. The upper part 1-1-2 is covered with a layer of conductive metal, which makes it possible to connect the signal from the function generator (1-6) to it. The width a is defined by the radius R of the cylinder 1-3 in which the electrodes are placed. (b) Use of the SERS platform to deposit bacteria or neoplastic cells. A metal electrode SERS 1-2 is inserted in the cylinder axis, with a diameter much smaller than that of the cylinder 1-3 used. Both electrodes: the flexible electrode, being the SERS 1-1 platform, and the metal electrode SERS 1-2, are connected to an alternating electric field source (functional generator, SIGLENT, SDG 2042X) 1-6. In the absence of the signal (OFF) (Fig. 2a), bacteria or tumor cells 1-4 are freely suspended in liquid 1-5. When the electric field is turned ON (Fig. 2b), the DEP force causes them to be deposited on the flexible electrode 1-1, namely on the active part SERS 1-1-1 located on the cylinder wall. (c) Electric field distribution in cylindrical geometry numerically calculated using the finite element method (Vpp = 20 V);

Fig. 3 Zdjęcia zestawu eksperymentalnego z fig. 2. (a) Generator funkcyjny (SIGLENT, SDG 2042X) 1-6 będący źródłem zmiennego pola elektrycznego jest podłączony do układu eksperymentalnego, w którym znajdują się dwie elektrody: elektroda metalowa SERS 1-2 w osi fiolki oraz elektroda elastyczna (folia PET/ITO/Ag) będąca platformą SERS 1-1. (b) Fiolka 1-3 wypełniona cieczą zawierającymi bakterie. Do elektrod poprzez zaciski elektryczne jest podłączony generator funkcji 1-6;Fig. 3 Pictures of the experimental set-up in Fig. 2. (a) The function generator (SIGLENT, SDG 2042X) 1-6, which is the source of the alternating electric field, is connected to the experimental system in which there are two electrodes: metal electrode SERS 1-2 in the vial axis and the flexible electrode (PET / ITO / Ag foil) which is the SERS 1-1 platform. (b) Vial 1-3 filled with a liquid containing bacteria. Function generator 1-6 is connected to the electrodes via the electrical terminals;

Fig. 4 Uśrednione widma komórek LNCaP (gruczolakoraka prostaty pochodzącymi z przerzutów do lewego nadobojczykowego węzła chłonnego 50-letniego mężczyzny), uzyskanej na elastycznej folii PET/ITO poddanej dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu, a następnie pokrytej warstwą srebra o grubości 70 nm, dla przykładu pierwszej korzystnej realizacji wynalazku geometria cylindryczna; LNCAp - linia ludzkich komórek gruczolakoraka prostaty pochodzącymi z przerzutów do lewego nadobojczykowego węzła chłonnego 50-letniego mężczyzny (pobrane w 1977 r.);Fig. 4 Averaged spectra of LNCaP cells (prostate adenocarcinoma derived from metastases to the left supraclavicular lymph node of a 50-year-old male), obtained on a flexible PET / ITO film subjected to a dielectric barrier discharge and then coated with a silver layer with a thickness of 70 nm, for the example of the first preferred an embodiment of the invention cylindrical geometry; LNCAp - a line of human prostate adenocarcinoma cells derived from metastases to the left supraclavicular lymph node of a 50-year-old male (collected in 1977);

Fig. 5 Schemat ideowy korzystnego wykorzystania zjawiska dielektroforezy do osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS o powierzchni ograniczonej cylindrem 2-3, pustym w środku o wysokości kilku mm. (a) Podłoże stanowi folia PET/ITO/Ag 2-1, jako drugą elektrodę wykorzystuje się ostro zakończoną elektrodę metalową SERS 2-2. Do obu elektrod doprowadzony jest sygnał elektryczny z generatora funkcji 2-6. Gdy napięcie jestFig. 5 Schematic diagram of the advantageous use of the phenomenon of dielectrophoresis for the deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform with an area limited by a cylinder 2-3, a hollow with a height of several mm. (a) The substrate is a PET / ITO / Ag 2-1 film, and a sharp SERS 2-2 metal electrode is used as the second electrode. Both electrodes receive an electrical signal from function generator 2-6. When the tension is on

PL 241 051 B1 wyłączone (OFF) (fig. 5) w obszarze ograniczonym ściankami cylindra 2-3 znajdują się swobodnie zawieszone bakterie 2-4 lub komórki nowotworowe 2-4. Po włączeniu napięcia (ON) (fig. 5) siła DEP powoduje przesunięcie bakterii lub komórek nowotworowych na powierzchnię platformy SERS 2-1. (b) Rozkład pola elektrycznego pomiędzy ostro zakończoną elektrodą metalową SERS 2-2 a platformą SERS 2-1 obliczony numerycznie przy pomocy metody elementów skończonych (Vpp = 20 V);In the OFF position (Fig. 5), in the area delimited by the walls of the cylinder 2-3, there are freely suspended bacteria 2-4 or tumor cells 2-4. When the voltage is turned ON (Figure 5), the force of DEP causes the bacteria or tumor cells to move to the surface of the SERS 2-1 platform. (b) The electric field distribution between the pointed metal electrode SERS 2-2 and the platform SERS 2-1 calculated numerically using the finite element method (Vpp = 20V);

Fig. 6 (a) Zdjęcie zestawu eksperymentalnego pokazanego na fig. 5. (b) Zbliżenie na platformę SERSFig. 6 (a) Photo of the experimental setup shown in Fig. 5. (b) Close-up of the SERS platform

2-1, cylinder ograniczającą wypływ cieczy (2-3) oraz ostro zakończoną metalową elektrodę SERS 2-2. Zmienny sygnał elektryczny jest podawany poprzez zaciski elektryczne z generatora funkcji 2-6. (c) Zdjęcie wykonane przy pomocy Skaningowego Mikroskopu Elektronowego (SEM) końca metalowej elektrody SERS 2-2;2-1, a cylinder limiting the outflow of liquid (2-3) and a pointed metal electrode SERS 2-2. The alternating electrical signal is fed through the electrical terminals from Function Generator 2-6. (c) Scanning Electron Microscope (SEM) image of the end of the SERS 2-2 metal electrode;

Fig. 7 Uśrednione widma SERS komórek nowotworowych raka szyjki macicy HeLa, uzyskane na elastycznej folii PET/ITO poddanej dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu, a następnie pokrytej warstwą srebra o grubości 70 nm dla przykładu drugiego korzystnej realizacji wynalazku platforma SERS z ograniczoną geometrią;Fig. 7 Averaged SERS spectra of HeLa cervical cancer cells obtained on a flexible PET / ITO film subjected to a dielectric barrier discharge and then coated with a 70 nm silver layer for an example of a second preferred embodiment of the invention SERS platform with constrained geometry;

Fig. 8 Zdjęcie układu mikroprzepływowego zawierającego: 3-3 - komorę pomiarową, 3-7 - kanały na metalowe elektrody (dielektroforetyczne osadzanie bakterii lub komórek nowotworowych na powierzchni platformy SERS), 3-8 - wloty do podawania cieczy, 3-9 - mieszalnik mikroprzepływowy, 3-10 - kanały na metalowe elektrody wstępne (wstępna separacja bakterii lub komórek nowotworowych przy pomocy efektu DEP), 3-11 - wylot cieczy z układu mikroprzepływowego, 3-12 - wylot cieczy z komory pomiarowej, 3-13 - kanał łączący kanał wstępnej separacji z komorą pomiarową, 3-14 - kanał do wstępnej separacji bakterii lub komórek nowotworowych przy pomocy efektu DEP);Fig. 8 Photo of the microflow system including: 3-3 - measuring chamber, 3-7 - channels for metal electrodes (dielectrophoretic deposition of bacteria or tumor cells on the surface of the SERS platform), 3-8 - inlets for liquid administration, 3-9 - mixer microfluidic, 3-10 - channels for preliminary metal electrodes (preliminary separation of bacteria or cancer cells using the DEP effect), 3-11 - liquid outlet from the microflow system, 3-12 - liquid outlet from the measuring chamber, 3-13 - connecting channel preliminary separation channel with a measuring chamber, 3-14 - channel for preliminary separation of bacteria or neoplastic cells using the DEP effect);

Fig. 9 Schemat ideowy korzystnego wykorzystania zjawiska dielektroforezy do osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych z pułapki dielektoforetyczej. (a) Pułapka składa się z płytki poliwęglanowej, w której wyfrezowana jest komora 3-3 oraz cztery kanały 3-7 doprowadzające do niej metalowe elektrody 3-2. Na dnie komory znajduje się platforma SERS 3-1 (folia PET/ITO/Ag), nad nią znajdują się cztery ostro zakończone elektrody metalowe SERS 3-2 (patrz fig. 5b). Do elektrod doprowadzany jest sygnał z dwóch generatorów funkcyjnych 3-6 lub z jednego generatora posiadającego dwa niezależne kanały. (b) Przekrój przez układ ukazujący komorę 3-3 z platformą SERS 3-1 oraz elektrodami metalowymi 3-2 znajdującymi się nad platformą SERS. Odległość między elektrodą metalową a platformą SERS powinna wynosić 0,5 mm lub więcej. (c) Na skutek zmiennego pola elektrycznego o odpowiedniej częstotliwości na bakterie lub komórki nowotworowe działa siła dielektroforetyczna (n-DEP) skierowana w obszar pomiędzy ostro zakończonymi elektrodami 3-2, gdzie bakterie/komórki nowotworowe się gromadzą 3-4. (d) Rozkład pola elektrycznego pomiędzy elektrodami obliczony numerycznie przy pomocy metody elementów skończonych (Vpp = 20 V);Fig. 9 Schematic diagram of the advantageous use of the phenomenon of dielectrophoresis for deposition of microorganisms or neoplastic cells from the dielectophoretic trap. (a) The trap consists of a polycarbonate plate with a milled chamber 3-3 and four channels 3-7 leading to it metal electrodes 3-2. At the bottom of the chamber there is a SERS 3-1 platform (PET / ITO / Ag foil), above it are four pointed metal electrodes SERS 3-2 (see Fig. 5b). The signal is supplied to the electrodes from two function generators 3-6 or from one generator having two independent channels. (b) Cross-section through an array showing chamber 3-3 with the SERS platform 3-1 and metal electrodes 3-2 located above the SERS platform. The distance between the metal electrode and the SERS platform should be 0.5 mm or more. (c) Due to an alternating electric field of appropriate frequency, the bacteria or tumor cells are subjected to a dielectrophoretic force (n-DEP) directed at the area between the pointed electrodes 3-2, where bacteria / tumor cells accumulate 3-4. (d) The distribution of the electric field between the electrodes calculated numerically using the finite element method (Vpp = 20 V);

Fig. 10 (a) Zdjęcie zestawu eksperymentalnego zawierającego układ mikroprzepływowy z fig. 9, metalowe elektrody oraz zaciski elektryczne biegnące do wyjścia generatora funkcyjnego. (b) Fragment układu mikroprzepływowy z fig. 8, zawiera kanał 3-13, w którym płynie ciecz z zawieszonymi bakteriami lub komórkami nowotworowymi. Wpływa ona do komory 3-3, do której doprowadzone są cztery kanały 3-7 służące do wprowadzania metalowych elektrod 3-1. (c) W celu pomiaru na dnie komory 3-3 umieszcza się platformę SERS 3-1 w postaci folii PET/ITO pokrytej warstwą srebra, a przez kanały wprowadza się metalowe elektrody SERS 3-2. Do komory wpływa roztwór zawierający bakterie lub komórki nowotworowe, a wypływa poprzez wylot (3-12). Po włączeniu zmiennego pola elektrycznego bakterie gromadzą się na powierzchni platformy SERS 3-1, pomiędzy końcami elektrod (patrz fig. 9c) na skutek odziaływania siły dielektroforetycznej;Fig. 10 (a) Photo of the experimental set-up including the microfluidic circuit of Fig. 9, metal electrodes, and electrical terminals running to the output of the function generator. (b) The fragment of the microfluidic system of Fig. 8 comprises a channel 3-13 in which a liquid flows with suspended bacteria or tumor cells. It flows into chamber 3-3, to which four channels 3-7 are connected for the introduction of metal electrodes 3-1. (c) For the measurement, a SERS 3-1 platform in the form of a PET / ITO foil coated with a silver layer is placed on the bottom of the chamber 3-3, and metal electrodes SERS 3-2 are inserted through the channels. A solution containing bacteria or cancer cells flows into the chamber, and it flows out through the outlet (3-12). When the alternating electric field is turned on, the bacteria accumulate on the surface of the SERS 3-1 platform between the ends of the electrodes (see Fig. 9c) due to the action of the dielectrophoretic force;

Fig. 11 Uśrednione widma bakterii Escherichia coli gram (-), uzyskanej na elastycznej folii PET/ITO poddanej dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu, a następnie pokrytej warstwą srebra o grubości 70 nm dla przykładu trzeciego korzystnej realizacji wynalazku układ czterech elektrod (pułapka dielektroforetyczna).Fig. 11 Averaged spectra of Escherichia coli gram (-) bacteria obtained on a flexible PET / ITO film subjected to a dielectric barrier discharge and then coated with a silver layer with a thickness of 70 nm for an example of a third preferred embodiment of the invention a four electrode array (dielectrophoretic trap).

Przykład 1: geometria cylindrycznaExample 1: cylindrical geometry

Sposób przygotowania elastycznych platform SERS na bazie foli PET o grubości 125 μm pokrytej warstwą ITO o grubości 5 μm, poddanej dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu (DBD) i pokrytej cienką warstwą metalu (srebra, złota, miedzi, srebra pokrytego warstwą złota, stopu srebra ze złotemThe method of preparing flexible SERS platforms based on 125 μm PET foil, covered with a 5 μm ITO layer, subjected to a dielectric barrier discharge (DBD) and covered with a thin metal layer (silver, gold, copper, silver coated with a layer of gold, silver and gold alloy)

PL 241 051 Β1 lub miedzi pokrytej warstwą złota). Platforma SERS jest przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego o numerze P.430767.PL 241 051 Β1 or gold plated copper). The SERS platform is the subject of the Polish patent application No. P.430767.

Sposób osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych opiera się na wykorzystaniu platformy SERS w postaci elastycznej folii na bazie PET/ITO pokrytej warstwą srebra, umożliwiający umieszczenie jej w pojemniku o kształcie cylindrycznym (szklana fiolka lub mata probówka). Po przyłożeniu zmiennego pola elektrycznego między platformę SERS, a drugą elektrodę będącą w osi pojemnika, na obiekty działa ujemny efekt dielektroforetyczny (n-DEP), czyli siła dielektroforetyczna skierowana w kierunku platformy SERS. Powoduje ona ruch bakterii lub komórek nowotworowych w kierunku platformy SERS, a w konsekwencji ich tam osadzenie. Częstotliwość przejścia (/przejścia), gdzie /przejścia to Re[CM(f)] = 0, wylicza sieją numerycznie, korzystając z zależności części rzeczywistej czynnika Claussiusa-Mossottiego od częstotliwości przykładanego zmiennego pola elektrycznego (fig. 1). Przykładowy wykres wartości rzeczywistej czynnika Claussiusa-Mossottiego dla komórki nowotworowej HeLa pokazany jest na fig. 1a. Częstotliwość przejścia pomiędzy ujemnym efektem DEP a dodatnim efektem DEP dla komórek HeLa to 347 kHz. By uzyskać ujemny efekt dielektroforetyczny (n-DEP) w układzie musimy zastosować częstotliwość niższą niż 347 kHz. W przypadku komórek nowotworowych LNCaP częstotliwość 1 MHz zapewniała zaistnienie efektu n-DEP. Częstotliwość przejścia /przejścia została zaczerpnięta z literatury, pozycja [21]. Przykładowe, obliczone częstotliwości przejścia dla różnych mikroorganizmów przedstawiono w tabelach poniżej.The method of deposition of microorganisms or neoplastic cells is based on the use of the SERS platform in the form of a flexible PET / ITO-based foil covered with a silver layer, enabling it to be placed in a cylindrical container (glass vial or test tube mat). After applying an alternating electric field between the SERS platform and the second electrode in the axis of the container, the objects are affected by a negative dielectrophoretic effect (n-DEP), i.e. a dielectrophoretic force directed towards the SERS platform. It causes the bacteria or cancer cells to move towards the SERS platform and, consequently, to settle them there. The frequency of the transition (/ transition), where the / transition is Re [CM (f)] = 0, is calculated numerically using the dependence of the real part of the Claussius-Mossotti factor on the frequency of the applied alternating electric field (Fig. 1). An exemplary Claussius-Mossotti factor plot for a HeLa tumor cell is shown in Figure 1a. The frequency of the transition between the negative DEP effect and the positive DEP effect for HeLa cells is 347 kHz. To obtain a negative dielectrophoretic effect (n-DEP) in the system, we must use a frequency lower than 347 kHz. In the case of LNCaP neoplastic cells, the frequency of 1 MHz ensured the n-DEP effect. The frequency of the transition was taken from the literature, reference [21]. Exemplary calculated transition frequencies for various microorganisms are shown in the tables below.

Tabela 1Table 1

Częstotliwości przejścia dla linii nowotworowych wyliczone dla x10 rozcieńczonego PBS, wyliczenia przeprowadzone przy pomocy programu myDEPTumor line crossing rates calculated for x10 diluted PBS, calculated with myDEP software

Linie nowotworowe Cancer lines Częstotliwość przejścia /przejścia {kHz) Crossover / Crossover frequency {kHz) K562 białaczka szpikowa K562 myeloid leukemia 716 716 HT-29 gruczolakorak jelita grubego (0,1 Sm1)HT-29 colorectal adenocarcinoma (0.1 Sm 1 ) 897 897 BxPC3 komórki raka trzustki BxPC3 pancreatic cancer cells 182 182 MCF7 komórki raka piersi MCF7 breast cancer cells 197 197 HeLa komórki raka szyjki macicy HeLa cervical cancer cells 348 348 LNCaP komórki gruczolakoraka prostaty LNCaP of prostate adenocarcinoma cells 20 000* 20,000 * MBA-MD-231 komórki raka piersi MBA-MD-231 breast cancer cells 228 228

* częstotliwość przejścia dla linii komórkowej LNCaP została zaczerpnięta z pozycji [21]* the transition frequency for the LNCaP cell line was taken from reference [21]

Tabela 2Table 2

Częstotliwości przejścia dla bakterii wyliczone dla x10 rozcieńczonego PBS, wyliczenia przeprowadzone przy pomocy programu myDEPBacterial transition frequencies based on x10 diluted PBS, calculated with myDEP software

Bakterie Bacteria Częstotliwość przejścia /przejścia (^Hz) The frequency of the transition / transition (^ Hz) Escherichia coli K.38 Escherichia coli K. 38 305 305 Escherichia coli 5K Escherichia coli 5K 1590 1590 Escherichia coli (DoubleShell prolate) Escherichia coli (DoubleShell prolate) 1130 1130

PL 241 051 Β1PL 241 051 Β1

Tabela 3Table 3

Częstotliwości przejścia dla drożdży wyliczone dla x10 rozcieńczonego PBS, wyliczenia przeprowadzone przy pomocy programu myDEPCrossover frequencies for yeast calculated with x10 diluted PBS, calculated with myDEP software

Drożdże Yeast Częstotliwość przejścia /przejścia (kHz) The frequency of the transition / transition (kHz) Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae 4790 4790 Saccharomyces cerevisiae expressing 5te2p Saccharomyces cerevisiae expressing 5te2p 4250 4250

Platforma SERS ma kształt litery L 1-1 i jest przedstawiona na fig. 2a. Górna część folii PET/ITO 1-1-2 stanowi jedną z elektrod, do której przykłada się pole elektryczne, natomiast dolna część 1-1-1 stanowi właściwą platformę SERS, na którą osadzane będą mikroorganizmy/komórki nowotworowe. Proces osadzania bakterii lub komórek nowotworowych jest schematycznie pokazany na fig. 2b. Długość dolnej części platformy a jest wyliczana na podstawie promienia R cylindrycznego pojemnika (a = 2kR). Druga elektroda (elektroda metalowa SERS) w postaci cienkiego stalowego drutu (1 -2) umieszczana jest wzdłuż osi cylindrycznego naczynia. Pomiędzy elektrodami tworzy się duży gradient pola elektrycznego, wymagany w procesie dielektroforezy. Rozkład pola elektrycznego wyliczony numerycznie prezentuje fig. 2c.The SERS platform is L 1-1 shaped as shown in Fig. 2a. The upper part of the PET / ITO 1-1-2 film is one of the electrodes to which the electric field is applied, while the lower part 1-1-1 is the actual SERS platform onto which the microorganisms / tumor cells will be deposited. The deposition process of bacteria or neoplastic cells is schematically shown in Fig. 2b. The length of the lower part of the platform a is calculated from the radius R of the cylindrical container (a = 2kR). The second electrode (metal SERS electrode) in the form of a thin steel wire (1-2) is placed along the axis of the cylindrical vessel. A large electric field gradient is created between the electrodes, which is required in the dielectrophoresis process. The numerically calculated electric field distribution is shown in Fig. 2c.

Komórki nowotworowe LNCaP zostały zawieszone w 10-krotnie rozcieńczonym roztworze PBS o przewodności 156 mS m-1. Do cylindrycznej szklanej probówki o średnicy 9,5 mm włożono folię PET/ITO w kształcie litery L dłuższym boku o wymiarach 30,0 mm χ 3,0 mm. Krótszy bok, stanowiący właściwą platformę SERS miał wymiary 7,0 mm χ 7,0 mm. Do probówki wprowadzono 250 pi 10-krotnie rozcieńczony wodny roztwór PBS-u zawierającego komórki nowotworowe. Objętość cieczy była tak dobrana, by całkowicie zakryć platformę SERS.LNCaP tumor cells were suspended in 10-fold diluted PBS with a conductivity of 156 mS m -1 . A long side L-shaped PET / ITO film of 30.0 mm χ 3.0 mm was inserted into a cylindrical glass test tube with a diameter of 9.5 mm. The shorter side, which was the actual SERS platform, was 7.0 mm χ 7.0 mm. 250 µl of a 10-fold diluted aqueous PBS solution containing the tumor cells was introduced into the test tube. The volume of the liquid was chosen to completely cover the SERS platform.

W celu osadzenia komórek nowotworowych LNCaP na platformie SERS pomiędzy elektrodę będącą platformą SERS a elektrodą ze stalowego drutu w osi probówki podano zmienny sygnał elektryczny. Elektroda stalowa może mieć średnicę od 10 pm do 2 mm, przy czym korzystniej gdy ta średnica wynosi od 20 pm do 1 mm, a najkorzystniej od 50 pm do 500 pm. W eksperymencie stosowano elektrodę stalową o średnicy 340 pm. Sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 MHz (wartość wyliczono numerycznie dla konkretnych wartości fizykochemicznych komórek nowotworowych LNCaP oraz przewodności elektrycznej buforu) oraz napięciu międzyszczytowe wynoszącym 10 VPP. Optymalny czas osadzania (dobrany eksperymentalnie) wynosił 60 sekund. Układ eksperymentalny wraz z generatorem funkcyjnym Siglent SDG 2042Χ (1-6) użytym do osadzania komórek nowotworowych LNCaP przedstawiony jest na fig. 3.In order to deposit LNCaP tumor cells on the SERS platform, a variable electrical signal was applied between the electrode being the SERS platform and the steel wire electrode in the axis of the tube. The steel electrode may have a diameter of 10 µm to 2 mm, more preferably the diameter is 20 µm to 1 mm and most preferably 50 µm to 500 µm. A steel electrode with a diameter of 340 µm was used in the experiment. Sinusoidal signal with a frequency of 1 MHz (value calculated numerically for specific physicochemical values of LNCaP cancer cells and the electrical conductivity of the buffer) and a peak-to-peak voltage of 10 V PP . The optimal deposition time (experimentally selected) was 60 seconds. The experimental setup together with the Siglent SDG 2042Χ (1-6) functional generator used to pellet LNCaP tumor cells is shown in Fig. 3.

Po 60 sekundach platformę wyjęto z probówki, osuszono w temperaturze pokojowej albo podwyższonej (T > 30°C) i poddano rejestracji widma SERS. W celu przeprowadzenia pomiarów wykorzystano spektrometr ramanowski Bruker Bravo wyposażony w technologię Duo Laser™. Długość fali lasera wynosiła pomiędzy 700 nm a 1100 nm, a moc poniżej 100 mW. Widma zarejestrowano, stosując 3 akumulacje po 6000 ms każda, po czym je uśredniono.After 60 seconds, the platform was removed from the tube, dried at room temperature or elevated temperature (T> 30 ° C) and subjected to recording of the SERS spectrum. In order to carry out the measurements, a Bruker Bravo Raman spectrometer equipped with the Duo Laser ™ technology was used. The laser wavelength was between 700 nm and 1100 nm and the power was below 100 mW. Spectra were recorded with 3 6000 ms accumulations each and averaged.

Tabela 4Table 4

Wpływ czasu osadzania na intensywność sygnałów ramanowskich dla bakterii E. coli i komórki nowotworowej LNCaPEffect of deposition time on the intensity of Raman signals for E. coli bacteria and LNCaP tumor cell

Badane układy Tested systems Czas osadzania (sekundy) Deposition time (seconds) Intensywność pasma diagnostycznego 731 cm1 dla E. coli i 650 cm1 dla LNCaP (liczba zliczeń)The intensity of the diagnostic band 731 cm 1 for E. coli and 650 cm 1 for LNCaP (number of counts) Escherichia coli K.38 Escherichia coli K. 38 30 thirty 18500 18500 60 60 15400 15400 180 180 10200 10200 LNCaP komórki gruczolakoraka prostaty LNCaP of prostate adenocarcinoma cells 30 thirty 12000 12,000 60 60 8500 8500 180 180 4700 4700

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

Uśrednione widmo komórek nowotworowych LNCaP osadzonych na platformie SERS przy pomocy efektu dielektroforetycznego (n-DEP) przedstawione jest na fig. 4.The averaged spectrum of LNCaP tumor cells deposited on the SERS platform by the dielectrophoretic effect (n-DEP) is shown in Fig. 4.

Przykład 2: platforma SERS z ograniczoną geometriąExample 2: SERS platform with limited geometry

W przypadku próbek o małej objętości zawierających bakterie lub komórki nowotworowe zaproponowano inną metodę ich osadzania przy wykorzystaniu efektu dielektroforetycznego.In the case of small-volume samples containing bacteria or neoplastic cells, another method of their deposition using the dielectrophoretic effect was proposed.

Metoda polega na wykorzystaniu folii PET/ITO/Ag, na której od strony warstwy srebra przymocowano tuleję z tworzywa sztucznego o średnicy 5 mm i grubości ścianki 1 mm. Tuleję z zewnątrz uszczelnia się małą ilością dwuskładnikowego kleju. Do wnętrza tulei wprowadza się ciecz z zawieszonymi bakteriami lub komórkami nowotworowymi 2-4, a od góry, w osi tulei, ostro zakończoną, elektrodę metalową SERS 2-2. Elektroda musi zostać wprowadzona do cieczy, lecz nie może dotykać warstwy srebra. Schemat ideowy przedstawionego rozwiązania ukazany jest na fig. 5. Do dolnej elektrody (platforma SERS) 2-1 oraz ostro zakończonej elektrody metalowej SERS 2-2 podłącza się generator funkcyjny 2-6. Gdy wyjście generatora nie jest aktywne (fig. 5a, OFF) w cieczy są swobodnie zawieszone bakterie lub komórki nowotworowe. Gdy wyjście generatora jest aktywne (fig. 5a, ON), pomiędzy platformą SERS 2-1 a ostro zakończoną metalową elektrodą SERS 2-2 (zdjęcie SEM pokazane na fig. 6c) występuje zmienne pole elektryczne o dużym gradiencie. Za gradient ten odpowiada ostro zakończona elektroda metalowa (rozkład pola elektrycznego wyliczony numerycznie przy pomocy metody elementów skończonych przedstawia fig. 5b). Dzięki temu na bakterie lub komórki nowotworowe działa siła dielektroforetyczna skierowana w kierunku platformy SERS (n-DEP), powodująca ruch i osadzenie obiektów na powierzchni platformy.The method is based on the use of PET / ITO / Ag foil to which a plastic sleeve with a diameter of 5 mm and a wall thickness of 1 mm is attached to the side of the silver layer. The sleeve is sealed from the outside with a small amount of two-component adhesive. Inside the sleeve, a liquid with suspended bacteria or tumor cells 2-4 is introduced, and from the top, in the sleeve axis, a pointed metal electrode, SERS 2-2, is introduced. The electrode must be inserted into the liquid but must not touch the silver layer. The schematic diagram of the presented solution is shown in Fig. 5. The function generator 2-6 is connected to the lower electrode (SERS platform) 2-1 and the pointed metal electrode SERS 2-2. When the generator output is not active (Fig. 5a, OFF), bacteria or tumor cells are freely suspended in the liquid. When the generator output is active (Fig. 5a, ON), there is a high gradient alternating electric field between the SERS platform 2-1 and the pointed metal electrode SERS 2-2 (SEM photo shown in Fig. 6c). The pointed metal electrode is responsible for this gradient (the electric field distribution calculated numerically using the finite element method is shown in Fig. 5b). As a result, bacteria or cancer cells are subjected to a dielectrophoretic force directed towards the SERS platform (n-DEP), causing the movement and deposition of objects on the surface of the platform.

W eksperymencie na elastycznej platformie SERS o wymiarach 7,0 mm χ 7,0 mm przymocowano tuleję ograniczającą 2-3 o średnicy 5 mm. Do tulei wprowadzono 70 μl roztworu 10-krotnie rozcieńczonego roztworu PBS-u zawierającego komórki nowotworowe HeLa. Zestaw eksperymentalny prezentuje fig. 6a i 6b. Przewodnictwo roztworu wynosiło 156 mSm-1. W celu osadzenia komórek nowotworowych HeLa przy wykorzystaniu zjawiska n-DEP zastosowano sinusoidalny sygnał o częstotliwości 300 kHz oraz napięcie międzyszczytowe wynoszące 10 Vpp. Optymalny czas osadzania (ustalony eksperymentalnie) wynosił 60 sekund.In the experiment, a stop sleeve 2-3 with a diameter of 5 mm was attached to a flexible SERS platform with dimensions of 7.0 mm χ 7.0 mm. 70 μl of a 10-fold diluted PBS solution containing HeLa tumor cells was loaded into the sleeve. The experimental setup is shown in Figs. 6a and 6b. The conductivity of the solution was 156 mSm -1 . A sinusoidal signal with a frequency of 300 kHz and a peak-to-peak voltage of 10 Vpp were used to deposit HeLa tumor cells using the n-DEP effect. The optimal deposition time (determined experimentally) was 60 seconds.

Częstotliwość, dla której zachodzi n-DEP, wyznaczono na podstawie wykresu rzeczywistej części czynnika Claussiusa-Mossottiego (CM) w zależności od częstotliwości przyłożonego prądu przemiennego działającą na komórkę HeLa umieszczone w wodnym roztworze buforowanej fosforanem soli fizjologicznej pH = 7.4 (PBS, rozcieńczony χ10). Wykres ten prezentuje fig. 1a. Zaznaczono na nim częstotliwość przejścia pomiędzy ujemnym DEP (n-DEP) a dodatnim DEP (p-DEP), który dla tego układu wynosi 347 kHz. Zastosowanie częstotliwości 300 kHz zapewnia zatem, że na obiekty zadziała n-DEP kierujący je na platformę SERS.The frequency at which n-DEP occurs was determined from the plot of the real part of the Claussius-Mossotti factor (CM) versus the frequency of the applied alternating current acting on the HeLa cell placed in an aqueous solution of phosphate buffered saline pH = 7.4 (PBS, diluted χ10) . This diagram is shown in Fig. 1a. It shows the frequency of the transition between negative DEP (n-DEP) and positive DEP (p-DEP), which for this system is 347 kHz. The use of the 300 kHz frequency therefore ensures that n-DEP acts on the objects, directing them to the SERS platform.

Po 60 sekundach platformę osuszono i poddano rejestracji widma SERS. W celu przeprowadzenia pomiarów wykorzystano spektrometr ramanowski Bruker Bravo wyposażony w technologię Duo Laser™. Długość fali lasera wynosiła pomiędzy 700 nm a 1100 nm, a moc poniżej 100 mW. Widma zarejestrowano stosując 3 akumulacje po 6000 ms każda, po czym je uśredniono.After 60 seconds, the platform was dried and subjected to recording of the SERS spectrum. In order to carry out the measurements, a Bruker Bravo Raman spectrometer equipped with the Duo Laser ™ technology was used. The laser wavelength was between 700 nm and 1100 nm and the power was below 100 mW. Spectra were recorded with 3 6000 ms accumulations each and averaged.

Uśrednione widmo komórek nowotworowych HeLa osadzonych na platformie SERS przy pomocy efektu dielektroforetycznego (n-DEP) przedstawione jest na fig. 7.The averaged spectrum of HeLa tumor cells mounted on the SERS platform by the dielectrophoretic effect (n-DEP) is shown in Fig. 7.

Zaproponowany sposób może zostać zastosowany do dowolnej platformy SERS: na bazie krzemu, paneli fotowoltaicznych, membran etc.The proposed method can be applied to any SERS platform: based on silicon, photovoltaic panels, membranes etc.

W przypadku materiału, który będzie hydrofobowy nie będzie konieczne stosowanie ścianek ograniczających ciecz, gdyż sformuje ona sferyczną kroplę.For a material that will be hydrophobic, it will not be necessary to have liquid-confining walls as this will form a spherical droplet.

Przykład 3: układ z czterema elektrodami - pułapka dielektroforetycznaExample 3: Four electrode system - Dielectrophoretic trap

Efekt dielektroforetyczny jest atrakcyjnym mechanizmem do separacji bakterii lub komórek nowotworowych z wody, moczu, krwi czy osocza, przez co często stosuje się go w połączeniu z technikami mikroprzepływowym i (mikrofluidycznymi).The dielectrophoretic effect is an attractive mechanism for separating bacteria or cancer cells from water, urine, blood or plasma, and is therefore often used in conjunction with microfluidic and (microfluidic) techniques.

W niniejszym przykładzie demonstrujemy układ mikroprzepływowy (fig. 8), który obejmuje: komorę pomiarową 3-3, kanał na metalowe elektrody 3-7 służące do dielektroforetycznego osadzania bakterii lub komórek nowotworowych na powierzchni platformy SERS, wloty do podawania cieczy 3-8, mieszalnik mikroprzepływowy 3-9, kanał na metalowe elektrody 3-10 służący do wstępnej separacji bakterii lub komórek nowotworowych przy pomocy efektu DEP, wylot cieczy z układu mikroprzepłyIn this example, we demonstrate a microfluidic system (Fig. 8), which includes: a measuring chamber 3-3, a channel for metal electrodes 3-7 for the dielectrophoretic deposition of bacteria or tumor cells on the surface of the SERS platform, liquid inlets 3-8, a mixer microfluidic 3-9, channel for metal electrodes 3-10 for the initial separation of bacteria or cancer cells using the DEP effect, liquid outlet from the microflow system

PL 241 051 B1 wowego 3-11, wylot cieczy z komory pomiarowej 3-12, kanał łączący kanał wstępnej separacji z komorą pomiarową 3-13, kanał do wstępnej separacji bakterii lub komórek nowotworowych przy pomocy efektu DEP 3-14.3-11, the liquid outlet from the measuring chamber 3-12, the channel connecting the preliminary separation channel with the measuring chamber 3-13, the channel for the initial separation of bacteria or tumor cells by the DEP effect 3-14.

W ściankach bocznych komory pomiarowej 3-3 znajdują się cztery kanały 3-7 do wprowadzania metalowych elektrod SERS 3-2. Elektrody metalowe SERS 3-2, mające ostre zakończenia (fig. 6c) są ustawione względem siebie radialnie i pod kątem prostym względem elektrody sąsiedniej, z przerwą miedzy końcami elektrod wynoszącą ok. 1 mm. Elektrody 3-2 znajdują się nad powierzchnią platformy SERS 3-1, a ich końce dokładnie w centrum platformy i komory 3-3 (fig. 9a i fig. 9b). Elektrody 3-2 są połączone z wyjściami generatora funkcyjnego 3-6; każda para elektrod 3-2 do osobnego kanału tak jak prezentuje fig. 9a. Po włączeniu zmiennego pola elektrycznego o odpowiedniej częstotliwości na bakterie działa siła dielektroforetyczna (n-DEP), skierowana w kierunku przestrzeni pomiędzy elektrodami (fig. 9c). Rozkład pola elektrycznego prezentuje fig. 9d. Geometria elektrod, a przez to rozkład pola elektrycznego powoduje, że na obiekty działa negatywna siła dielektroforetyczna, gromadząca bakterie lub komórki nowotworowe w centrum, dokładnie pomiędzy końcówkami elektrody (fig. 9c, 3-4). Jest to tzw. pułapka dielektroforetyczna. W naszym przypadku, pod elektrodami znajduje się platforma SERS, dzięki czemu obiekty (komórki nowotworowe lub bakterie) osadzają się na niej w jednym miejscu.In the side walls of the measuring chamber 3-3 there are four channels 3-7 for inserting metal electrodes SERS 3-2. Metal electrodes SERS 3-2 having sharp ends (Fig. 6c) are arranged radially to each other and at right angles to the adjacent electrode, with a gap between the ends of the electrodes of approx. 1 mm. The electrodes 3-2 are located above the surface of the platform SERS 3-1 with their ends exactly in the center of the platform and chamber 3-3 (Fig. 9a and Fig. 9b). The electrodes 3-2 are connected to the outputs of the function generator 3-6; each pair of electrodes 3-2 to a separate channel as shown in Fig. 9a. After switching on an alternating electric field of an appropriate frequency, the bacteria are subjected to a dielectrophoretic force (n-DEP) directed towards the space between the electrodes (Fig. 9c). The distribution of the electric field is shown in Fig. 9d. The geometry of the electrodes, and thus the distribution of the electric field, causes the objects to be subjected to a negative dielectrophoretic force, accumulating bacteria or tumor cells in the center, exactly between the electrode tips (Figs. 9c, 3-4). This is called dielectrophoretic trap. In our case, the SERS platform is located under the electrodes, thanks to which objects (cancer cells or bacteria) are deposited on it in one place.

Układ mikrofluidyczny wyfrezowany w poliwęglanie z podłączonymi wężykami oraz elektrodami pokazany jest na fig. 10a. Rozmiar komory, zaprezentowanej na fig. 10b, wynosi: 5,0 mm χ 5,0 mm χ 2,5 mm (3-3). Platformę SERS stanowi folia PET/ITO/Ag 3-1 o rozmiarach 4,5 mm χ 4,5 mm. Elektrody 3-2 włożono tak, żeby odległość pomiędzy ich końcami wynosiła nie więcej niż 1 mm (fig. 9b i fig. 9c). Znajdują się one też nad powierzchnią platformy SERS 3-1, ich wysokość ustala się poprzez odpowiednią średnicę elektrod 3-2 oraz umiejscowienie kanałów w bocznych ścianach komory 3-7 (fig. 9b).The microfluidic system milled in polycarbonate with connected tubing and electrodes is shown in Fig. 10a. The size of the chamber shown in Fig. 10b is: 5.0mm × 5.0mm × 2.5mm (3-3). The SERS platform is a PET / ITO / Ag 3-1 film with dimensions of 4.5 mm χ 4.5 mm. The electrodes 3-2 were inserted so that the distance between their ends was no more than 1 mm (Fig. 9b and Fig. 9c). They are also located above the surface of the SERS 3-1 platform, their height is determined by the appropriate diameter of the electrodes 3-2 and the location of the channels in the side walls of the chamber 3-7 (Fig. 9b).

Na tak przygotowany układ naniesiono roztwór PBS (rozcieńczony χ 10) zawierający bakterie Escherichia coli. Dla osadzenia E. coli na platformie SERS zastosowano częstotliwość sygnału sinusoidalnego wynoszącą 200 kHz oraz napięcie międzyszczytowe wynoszące 15 Vpp. Czas osadzania wynosił 60 sekund.The PBS solution (diluted χ 10) containing Escherichia coli bacteria was applied to the prepared system. A sinusoidal signal frequency of 200 kHz and a peak-to-peak voltage of 15 Vpp were used to deposit E. coli on the SERS platform. The deposition time was 60 seconds.

Po 60 sekundach platformę wyjęto z komory, osuszono i poddano rejestracji widma SERS. W celu przeprowadzenia pomiarów wykorzystano spektrometr ramanowski Bruker Bravo wyposażony w technologię Duo Laser™. Długość fali lasera wynosiła pomiędzy 700 nm, a 1100 nm, a moc poniżej 100 mW. Widma zarejestrowano stosując 3 akumulacje po 6000 ms każda, po czym je uśredniono.After 60 seconds, the platform was removed from the chamber, dried and subjected to recording of the SERS spectrum. In order to carry out the measurements, a Bruker Bravo Raman spectrometer equipped with the Duo Laser ™ technology was used. The laser wavelength was between 700 nm and 1100 nm, and the power was below 100 mW. Spectra were recorded with 3 6000 ms accumulations each and averaged.

Uśrednione widmo bakterii Escherichia coli osadzonych na platformie SERS przy pomocy efektu dielektroforetycznego (n-DEP) jest przedstawione na fig. 11.The averaged spectrum of Escherichia coli bacteria deposited on the SERS platform by means of the dielectrophoretic effect (n-DEP) is shown in Fig. 11.

Zaproponowany sposób może zostać zastosowany do dowolnej platformy SERS: na bazie krzemu, paneli fotowoltaicznych, membran etc. W przypadku platform SERS o grubości większej niż folia PET/ITO należy zmienić wysokość, na której znajdują się kanały przeznaczone dla elektrod metalowych (należy dobrać wysokość eksperymentalnie, by nie następowało zwarcie pomiędzy elektrodami).The proposed method can be applied to any SERS platform: based on silicon, photovoltaic panels, membranes etc. In the case of SERS platforms with a thickness greater than PET / ITO foil, the height of the channels for metal electrodes should be changed (the height should be selected experimentally so that there is no short circuit between the electrodes).

Literatura:Literature:

[1] M. Fleischmann, Raman spectra of pyridine adsorbed at silver electrode, Chem. Phys. Lett.[1] M. Fleischmann, Raman spectra of pyridine adsorbed at silver electrode, Chem. Phys. Lett.

(1974) 2-5. doi:https://doi.org/10.1016/0009-2614(74)85388-1.(1974) 2-5. doi: https: //doi.org/10.1016/0009-2614 (74) 85388-1.

[2] Y. Kitahama, T. Itoh, P. Pienpinijtham, X, S. Ekgasit.X. Han, Y. Ozaki, Biological Applications of SERS Using Functional Nanoparticles, 2 (2012).[2] Y. Kitahama, T. Itoh, P. Pienpinijtham, X, S. Ekgasit.X. Han, Y. Ozaki, Biological Applications of SERS Using Functional Nanoparticles, 2 (2012).

[3] D.W. Shipp, F. Sinjab, I. Notingher, Raman spectroscopy: techniques and applications in the life sciences, Adv. Opt. Photonics. 9 (2017) 315. doi:10.1364/aop.9.000315.[3] D.W. Shipp, F. Sinjab, I. Notingher, Raman spectroscopy: techniques and applications in the life sciences, Adv. Opt. Photonics. 9 (2017) 315. doi: 10.1364 / aop.9.000315.

[4] W.R. Premasiri, Y. Chen, J. Fore, A. Brodeur, L.D. Ziegler, SERS Biomedical Applications: Diagnostics, Forensics, and Metabolomics, Elsevier Inc., 2017. doi:10.1016/B978-0-12811220-5.00010-1.[4] W.R. Premasiri, Y. Chen, J. Fore, A. Brodeur, L.D. Ziegler, SERS Biomedical Applications: Diagnostics, Forensics, and Metabolomics, Elsevier Inc., 2017. doi: 10.1016 / B978-0-12811220-5.00010-1.

[5] K. Girel, S. Zavatski, S. Terekhov, H. Bandarenka, A. Panarin, Progress in the Development of SERS-Active Substrates Based on Metal-Coated Porous Silicon, Materials (Basel). 11 (2018) 852. doi:10.3390/ma11050852.[5] K. Girel, S. Zavatski, S. Terekhov, H. Bandarenka, A. Panarin, Progress in the Development of SERS-Active Substrates Based on Metal-Coated Porous Silicon, Materials (Basel). 11 (2018) 852.doi: 10.3390 / ma11050852.

[6] U.K. Sur, Surface-Enhanced Raman Scattering, in: K. Maaz (Ed.), Raman Spectrosc. Appl., IntechOpen, 2016: p. 13. doi:http://dx.doi.org/10.5772/57353.[6] U.K. Sur, Surface-Enhanced Raman Scattering, et al: K. Maaz (Ed.), Raman Spectrosc. Appl., IntechOpen, 2016: p. 13 doi: http: //dx.doi.org/10.5772/57353.

[7] E.C. Le Ru, E. Blackie, M. Meyer, P.G. Etchegoint, Surface enhanced raman scattering enhancement factors: A comprehensive study, J. Phys. Chem. C. 111 (2007) 13794-13803. doi:10.1021/jp0687908.[7] E.C. Le Ru, E. Blackie, M. Meyer, P.G. Etchegoint, Surface enhanced raman scattering enhancement factors: A comprehensive study, J. Phys. Chem. C. 111 (2007) 13794-13803. doi: 10.1021 / jp0687908.

PL 241 051 B1PL 241 051 B1

[8] P.A. Mosier-Boss, Review of SERS substrates for Chemical sensing, Nanomaterials. 7 (2017). doi:10.3390/nano7060142.[8] P.A. Mosier-Boss, Review of SERS substrates for Chemical sensing, Nanomaterials. 7 (2017). doi: 10.3390 / nano7060142.

[9] B.H. Nguyen, V.H. Nguyen, H.N. Tran, Rich variety of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy, Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol. 7 (2016) 033001.[9] B.H. Nguyen, V.H. Nguyen, H.N. Tran, Rich variety of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy, Adv. Nat. Sci. Nanos. Nanotechnol. 7 (2016) 033001.

[10] A. Kamińska, T. Szymborski, E. Witkowska, E. Kijeńska-Gawrońska, W. Świeszkowski, K. Niciński, J. Trzcińska-Danielewicz, A. Girstun, Detection of circulating tumor cells using membrane-based sers platform: A new diagnostic approach for ‘liquid biopsy’, Nanomaterials. 9 (2019). doi:10.3390/nano9030366.[10] A. Kamińska, T. Szymborski, E. Witkowska, E. Kijeńska-Gawrońska, W. Świeszkowski, K. Niciński, J. Trzcińska-Danielewicz, A. Girstun, Detection of circulating tumor cells using membrane-based sers platform : A new diagnostic approach for 'liquid biopsy', Nanomaterials. 9 (2019). doi: 10.3390 / nano9030366.

[11] W. Shi, R.J. Paproski, R. Moore, R. Zemp, Detection of circulating tumor cells using targeted surface-enhanced Raman scattering nanoparticles and magnetic enrichment, J. Biomed. Opt. 19 (2014) 056014. doi:10.1117/1.jbo.19.5.056014.[11] W. Shi, R.J. Paproski, R. Moore, R. Zemp, Detection of circulating tumor cells using targeted surface-enhanced Raman scattering nanoparticles and magnetic enrichment, J. Biomed. Opt. 19 (2014) 056014. doi: 10.1117 / 1.jbo.19.5.056014.

[12] B.H. Jun, M.S. Noh, J. Kim, G. Kim, H. Kang, M.S. Kim, Y.T. Seo, J. Baek, J.H. Kim, J. Park, S. Kim, Y.K. Kim, T. Hyeon, M.H. Cho, D.H. Jeong, Y.S. Lee, Multifunctional silver-embedded magnetic nanoparticles as SERS nanoprobes and their applications, Small. 6 (2010) 119-125. doi:10.1002/smll.200901459.[12] B.H. Jun, M.S. Noh, J. Kim, G. Kim, H. Kang, M.S. Kim, Y.T. Seo, J. Baek, J.H. Kim, J. Park, S. Kim, Y.K. Kim, T. Hyeon, M.H. Cho, D.H. Jeong, Y.S. Lee, Multifunctional silver-embedded magnetic nanoparticles as SERS nanoprobes and their applications, Small. 6 (2010) 119-125. doi: 10.1002 / smll.200901459.

[13] L. Guerrini, R.A. Alvarez-Puebla, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy in Cancer Diagnosis, Prognosis and Monitoring, Cancers (Basel). 11 (2019) 748. doi:10.3390/can- cers11060748.[13] L. Guerrini, R.A. Alvarez-Puebla, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy in Cancer Diagnosis, Prognosis and Monitoring, Cancers (Basel). 11 (2019) 748.doi: 10.3390 / can- cers11060748.

[14] Y. Zhang, X. Mi, X. Tan, R. Xiang, Recent Progress on Liquid Biopsy Analysis using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Theranostics. 9 (2019) 491-525. doi:10.7150/thno.29875.[14] Y. Zhang, X. Mi, X. Tan, R. Xiang, Recent Progress on Liquid Biopsy Analysis using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Theranostics. 9 (2019) 491-525. doi: 10.7150 / thno.29875.

[15] C. Wang, M.M. Meloni, X. Wu, M. Zhuo, T. He, J. Wang, C. Wang, P. Dong, Magnetic plasmonic particles for SERS-based bacteria sensing: A review, AIP Adv. 9 (2019).[15] C. Wang, M.M. Meloni, X. Wu, M. Zhuo, T. He, J. Wang, C. Wang, P. Dong, Magnetic plasmonic particles for SERS-based bacteria sensing: A review, AIP Adv. 9 (2019).

doi:10.1063/1.5050858.doi: 10.1063 / 1.5050858.

[16] H.A. Pohl, The Motion and Precipitation of Suspensoids in Divergent Electric Fields, J. Appl. Phys. 22 (1951) 869-871. doi:10.1063/1.1700065.[16] H.A. Pohl, The Motion and Precipitation of Suspensoids in Divergent Electric Fields, J. Appl. Phys. 22 (1951) 869-871. doi: 10.1063 / 1.1700065.

[17] P.R.C. Gascoyne, S. Shim, Isolation of Circulating Tumor Cells by Dielectrophoresis, Cancers (Basel). 6 (2014) 545-579. doi:10.3390/cancers6010545.[17] P.R.C. Gascoyne, S. Shim, Isolation of Circulating Tumor Cells by Dielectrophoresis, Cancers (Basel). 6 (2014) 545-579. doi: 10.3390 / cancers6010545.

[18] H.A. Pohl, I. Hawk, Separation of Living and Dead Cells by Dielectrophoresis, Science (80-. ). 152 (1966) 647-649.[18] H.A. Pohl, I. Hawk, Separation of Living and Dead Cells by Dielectrophoresis, Science (80-.). 152 (1966) 647-649.

[19] R. Pethig, Review Article - Dielectrophoresis : Status of the theory, technology, and applications, Biomicrofluidics. 4 (2010) 1-35. doi:10.1063/1.3456626.[19] R. Pethig, Review Article - Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications, Biomicrofluidics. 4 (2010) 1-35. doi: 10.1063 / 1.3456626.

[20] F.H. Labeed, H.M. Coley, H. Thomas, M.P. Hughes, Assessment of Multidrug Resistance Reversal Using Dielectrophoresis and Flow Cytometry, Biophys. J. 85 (2003)2028-2034.[20] F.H. Labeed, H.M. Coley, H. Thomas, M.P. Hughes, Assessment of Multidrug Resistance Reversal Using Dielectrophoresis and Flow Cytometry, Biophys. J. 85 (2003) 2028-2034.

[21] F. Yang, X. Yang, H. Jiang, W.M. Butler, G. Wang, Dielectrophoretic separation of prostate cancer cells, Technol. Cancer Res. Treat. 12 (2013) 61-70. doi:10.7785/tcrt. 2012.500275.[21] F. Yang, X. Yang, H. Jiang, W.M. Butler, G. Wang, Dielectrophoretic separation of prostate cancer cells, Technol. Cancer Res. Treat. 12 (2013) 61-70. doi: 10.7785 / tcrt. 2012.500275.

[22] M. Alshareef, N. Metrakos, E. Juarez Perez, F. Azer, F. Yang, X. Yang, G. Wang, Separation of tumor cells with dielectrophoresis-based microfluidic chip, Biomicrofluidics. 7 (2013) 1-12. doi:10.1063/1.4774312.[22] M. Alshareef, N. Metrakos, E. Juarez Perez, F. Azer, F. Yang, X. Yang, G. Wang, Separation of tumor cells with dielectrophoresis-based microfluidic chip, Biomicrofluidics. 7 (2013) 1-12. doi: 10.1063 / 1.4774312.

[23] I.F. Cheng, W.L. Huang, T.Y. Chen, C.W. Liu, Y. De Lin, W.C. Su, Antibody-free isolation of rare cancer cells from blood based on 3D lateral dielectrophoresis, Lab Chip. 15 (2015) 2950-2959. doi:10.1039/c5lc00120j.[23] I.F. Cheng, W.L. Huang, T.Y. Chen, C.W. Liu, Y. De Lin, W.C. Su, Antibody-free isolation of rare cancer cells from blood based on 3D lateral dielectrophoresis, Lab Chip. 15 (2015) 2950-2959. doi: 10.1039 / c5lc00120j.

[24] l.-F. Cheng, C.-C. Lin, D.-Y. Lin, H.-C. Chang, A dielectrophoretic chip with a roughened metal surface for on-chip surface-enhanced Raman scattering analysis of bacteria, Biomicrofluidics. 4 (2010) 034104. doi:10.1063/1.3474638.[24] l.-F. Cheng, C.-C. Lin, D.-Y. Lin, H.-C. Chang, A dielectrophoretic chip with a roughened metal surface for on-chip surface-enhanced Raman scattering analysis of bacteria, Biomicrofluidics. 4 (2010) 034104. doi: 10.1063 / 1.3474638.

[25] H.Y. Lin, C.H. Huang, W.H. Hsieh, L.H. Liu, Y.C. Lin, C.C. Chu, S.T. Wang, I.T. Kuo,[25] H.Y. Lin, C.H. Huang, W.H. Hsieh, L.H. Liu, Y.C. Lin, C.C. Chu, S.T. Wang, I.T. Kuo,

L.K. Chau, C.Y. Yang, On-line SERS detection of single bacterium Using Novel SERS Nanoprobes and a microfluidic Dielectrophoresis device, Small. 10 (2014) 4700-4710.L.K. Chau, C.Y. Yang, On-line SERS detection of single bacterium Using Novel SERS Nanoprobes and a microfluidic Dielectrophoresis device, Small. 10 (2014) 4700-4710.

doi:10.1002/smll.201401526.doi: 10.1002 / smll.201401526.

[26] U.C. Schroder, A. Ramoji, U. Glaser, S. Sachse, C. Leiterer, A. Csaki, U. Hubner,[26] U.C. Schroder, A. Ramoji, U. Glaser, S. Sachse, C. Leiterer, A. Csaki, U. Hubner,

W. Fritzsche, W. Pfister, M. Bauer, J. Popp, U. Neugebauer, Combined dielectrophoresis-Raman setup for the classification of pathogens recovered from the urinary tract, Anal. Chem. 85 (2013) 10717-10724. doi:10.1021/ac4021616.W. Fritzsche, W. Pfister, M. Bauer, J. Popp, U. Neugebauer, Combined dielectrophoresis-Raman setup for the classification of pathogens recovered from the urinary tract, Anal. Chem. 85 (2013) 10717-10724. doi: 10.1021 / ac4021616.

[27] F.R. Madiyar, S. Bhana, L.Z. Swisher, C.T. Culbertson, X. Huang, J. Li, Integration of a nanostructured dielectrophoretic device and a surface-enhanced Raman probe for highly sensitive rapid bacteria detection, Nanoscale. 7 (2015) 3726-3736. doi:10.1039/c4nr07183b.[27] F.R. Madiyar, S. Bhana, L.Z. Swisher, C.T. Culbertson, X. Huang, J. Li, Integration of a nanostructured dielectrophoretic device and a surface-enhanced Raman probe for highly sensitive rapid bacteria detection, Nanoscale. 7 (2015) 3726-3736. doi: 10.1039 / c4nr07183b.

Claims (25)

PL 241 051 B1PL 241 051 B1 Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób osadzania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS przy użyciu efektu dielektroforetycznego i oznaczania mikroorganizmów lub komórek nowotworowych na platformie SERS, obejmujący:1. A method of depositing microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using a dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform, comprising: a) przygotowanie platformy SERS,a) preparation of the SERS platform, b) wprowadzenie zawiesiny mikroorganizmów albo komórek nowotworowych w nośniku do naczynia pomiarowego,b) introducing the suspension of microorganisms or tumor cells in the carrier into the measuring vessel, c) przesyłanie sygnału elektrycznego do platformy SERS i elektrody metalowej w celu osadzenia mikroorganizmów albo komórek nowotworowych na platformie SERS,c) transmitting an electrical signal to the SERS platform and a metal electrode in order to deposit microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform, d) osuszenie platformy SERS z mikroorganizmami albo komórkami nowotworowymi,d) drying the SERS platform with microorganisms or cancer cells, e) rejestrację widma SERS w celu oznaczenia mikroorganizmów albo komórek nowotworowych, znamienny tym, w etapie a) platformę SERS umieszcza się w naczyniu pomiarowym i wprowadza się do naczynia pomiarowego przynajmniej jedną elektrodę metalową SERS, i w etapie c) przesyła się sygnał elektryczny do przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS i platformy SERS w celu uzyskania ujemnego efektu dielektroforetycznego, i sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS i platformy SERS przesyła się w czasie od 1 do 600 s, przy czym sygnał elektryczny ma częstotliwość od 1 kHz do 50 MHz, przy czym napięcie międzyszczytowe sygnału elektrycznego wynosi od 1 Vpp do 50 Vpp.e) recording the SERS spectrum for the determination of microorganisms or tumor cells, characterized in that in step a) the SERS platform is placed in the measurement vessel and at least one metal SERS electrode is inserted into the measurement vessel, and in step c) an electrical signal is transmitted to at least one the metal SERS electrode and the SERS platform to obtain a negative dielectrophoretic effect, and the electrical signal to the metal SERS electrode and the SERS platform is transmitted in 1 to 600 s, the electrical signal being at a frequency of 1 kHz to 50 MHz, with the peak-to-peak voltage the electrical signal is from 1 Vpp to 50 Vpp. 2. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że nośnik stanowi woda, bufor PBS, płyn ustrojowy pochodzenia ludzkiego albo zwierzęcego wybrany z grupy obejmującej: krew, osocze, płyn mózgowo-rdzeniowy albo mocz.2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the carrier is water, PBS buffer, a body fluid of human or animal origin selected from the group consisting of: blood, plasma, cerebrospinal fluid or urine. 3. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że napięcie międzyszczytowe sygnału elektrycznego, wynosi od 5 Vpp do 30 Vpp, a najkorzystniej od 10 Vpp do 20 Vpp.3. The method according to p. The method of claim 1, wherein the peak-to-peak voltage of the electrical signal is from 5 Vac to 30 Vac, most preferably from 10 Vac to 20 Vac. 4. Sposób wg zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że sygnał elektryczny ma częstotliwość w zakresie od 10 kHz do 20 MHz, a najkorzystniej w zakresie od 100 kHz do 10 MHz.4. The method according to p. The electric signal according to claim 1 or 3, characterized in that the electric signal has a frequency in the range from 10 kHz to 20 MHz, most preferably in the range from 100 kHz to 10 MHz. 5. Sposób wg zastrz. 1,3 albo 4, znamienny tym, że sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS przesyła się w czasie od 10 s do 360 s, a najkorzystniej pomiędzy od 30 s do 60 s.5. The method according to p. 1, 3 or 4, characterized in that the electric signal to the metal electrode SERS is transmitted during 10 s to 360 s, most preferably between 30 s to 60 s. 6. Sposób wg zastrz. 1, 3, 4 albo 5, znamienny tym, że sygnał elektryczny do elektrody metalowej SERS przesyła się w czasie 60 s.6. The method according to p. 1, 3, 4 or 5, characterized in that the electrical signal to the metal electrode SERS is transmitted during 60 s. 7. Sposób wg zastrz. 1, 3, 4, 5 albo 6, znamienny tym, że sygnał elektryczny przesyłany do przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS i platformy SERS ma kształt sinusoidalny.7. The method according to p. A method as claimed in any one of claims 1, 3, 4, 5 or 6, characterized in that the electrical signal transmitted to at least one SERS metal electrode and the SERS platform has a sinusoidal shape. 8. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że średnica przynajmniej jednej elektrody metalowej SERS ma średnicę od 10 μm do 2 mm, korzystniej od 20 μm do 1 mm, a najkorzystniej od 50 μm do 500 μm.8. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the diameter of at least one SERS metal electrode has a diameter of 10 µm to 2 mm, more preferably 20 µm to 1 mm, most preferably 50 µm to 500 µm. 9. Sposób wg zastrz. 8, znamienny tym, że średnica elektrody metalowej SERS wynosi 340 μm.9. The method according to p. 8. The method of claim 8, characterized in that the diameter of the SERS metal electrode is 340 Pm. 10. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że po osadzeniu mikroorganizmów lub komórek nowotworowych wyjmuje się platformę SERS i odparowuje nośnik w temperaturze pokojowej albo podwyższonej.10. The method according to p. The method of claim 1, wherein after pelleting of the microorganisms or tumor cells, the SERS platform is removed and the carrier is evaporated at room or elevated temperature. 11. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że naczynie pomiarowe stanowi cylindryczny pojemnik z tworzywa sztucznego albo szkła, wybrany z grupy obejmującej: probówkę, fiolkę, tuleję.11. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the measuring vessel is a cylindrical plastic or glass container selected from the group consisting of: test tube, vial, sleeve. 12. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że naczynie pomiarowe stanowi układ mikrofluidyczny.12. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the measuring vessel is a microfluidic system. 13. Sposób wg zastrz. 12, znamienny tym, że układ mikrofluidyczny obejmuje dwa wloty cieczy nośnika (3-8), połączone z mieszalnikiem (3-9), które są połączone z kanałem do wstępnej separacji komórek nowotworowych lub bakterii z nośnika (3-14), połączonego poprzez wylot cieczy nośnika (3-10) kanałem (3-13) z komorą platformy SERS (3-3), przy czym komora do umieszczania platformy SERS (3-3) zawiera kanały (3-7) do wprowadzenia elektrod metalowych SERS (3-2).13. The method according to p. The method of claim 12, characterized in that the microfluidic system comprises two carrier liquid inlets (3-8) connected to a mixer (3-9) which are connected to a channel for pre-separation of tumor cells or bacteria from the carrier (3-14) connected by the carrier liquid outlet (3-10) through the channel (3-13) with the SERS platform chamber (3-3), the SERS platform placement chamber (3-3) including channels (3-7) for the introduction of SERS metal electrodes (3 -2). 14. Sposób wg zastrz. 12 albo 13, znamienny tym, że do komory platformy SERS (3-3) układu mikrofluidycznego wprowadza się cztery elektrody metalowe SERS (3-2), przy czym elektrody metalowe SERS (3-2) wprowadza się przez kanały (3-7) w komorze platformy SERS (3-3) prostopadłe względem siebie, i elektrody metalowe SERS (3-2) wprowadza się powyżej platformy SERS (3-1) w komorze platformy SERS (3-1).14. The method according to p. 12 or 13, characterized in that four metal SERS electrodes (3-2) are inserted into the SERS platform chamber (3-3), while the metal SERS electrodes (3-2) are introduced through the channels (3-7) in the SERS platform chamber (3-3) perpendicular to each other, and the metal SERS electrodes (3-2) are inserted above the SERS platform (3-1) in the SERS platform chamber (3-1). PL 241 051 B1PL 241 051 B1 15. Sposób wg zastrz. 14, znamienny tym, że odległość pomiędzy końcami elektrod metalowych SERS (3-2) wprowadzonych do komory platformy SERS (3-3) wynosi nie więcej niż 1 mm, korzystnie 0,5 mm.15. The method according to p. 14. The method of claim 14, characterized in that the distance between the ends of the SERS metal electrodes (3-2) inserted into the SERS platform chamber (3-3) is not more than 1 mm, preferably 0.5 mm. 16. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej jedną elektrodę metalową SERS wprowadza się równolegle do przynajmniej jednej osi naczynia pomiarowego.16. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that at least one SERS metal electrode is inserted parallel to at least one axis of the measuring vessel. 17. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że platformę SERS stanowi elastyczna folia poddana dielektrycznemu wyładowaniu barierowemu, korzystnie z poli(tereftalanu etylenu), pokrytego warstwą tlenku indowo-cynowego, na który została naniesiona warstwa srebra, złota albo stopu złoto-srebro.17. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the SERS platform is a flexible dielectric barrier discharge film, preferably polyethylene terephthalate coated with an indium tin oxide layer onto which a silver, gold or gold-silver alloy layer has been applied. 18. Sposób wg zastrz. 1, 3, 4, 5, 6 albo 7, znamienny tym, że sygnał elektryczny podaje się z generatora zmiennoprądowego.18. The method according to p. The method of claim 1, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized in that the electrical signal is supplied from an alternating current generator. 19. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że komórki nowotworowe są wybrane z grupy obejmującej komórki: K562 białaczki szpikowej, HT-29 gruczolakoraka jelita grubego (0,1 Sm-1), BxPC3 raka trzustki, MCF7 raka piersi, HeLa raka szyjki macicy, LNCaP gruczolakoraka prostaty albo MBA-MD-231 raka piersi.19. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the neoplastic cells are selected from the group consisting of: K562 myeloid leukemia, HT-29 colorectal adenocarcinoma (0.1 Sm -1 ), BxPC3 pancreatic cancer, MCF7 breast cancer, HeLa cervical cancer, LNCaP prostate adenocarcinoma or MBA-MD-231 of breast cancer. 20. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że mikroorganizmy są wybrane z grupy obejmującej bakterie albo drożdże.20. The method according to p. The process of claim 1, wherein the microorganisms are selected from the group consisting of bacteria or yeasts. 21. Sposób wg zastrz. 20, znamienny tym, że bakterie są stanowią bakterie gram ujemne.21. The method according to p. The method of claim 20, characterized in that the bacteria are gram-negative bacteria. 22. Sposób wg zastrz. 21, znamienny tym, że bakterie gram ujemne są wybrane z grupy obejmującej: Escherichia coli K.38, Escherichia coli 5K albo Escherichia coli DoubleShell prolate.22. The method according to p. The method of claim 21, wherein the gram-negative bacteria are selected from the group consisting of: Escherichia coli K.38, Escherichia coli 5K or Escherichia coli DoubleShell prolate. 23. Sposób wg zastrz. 20, znamienny tym, że drożdże są wybrane z grupy obejmującej: Saccharomyces cerevisiae albo Saccharomyces cerevisiae.23. The method according to p. The process of claim 20, wherein the yeast is selected from the group consisting of: Saccharomyces cerevisiae or Saccharomyces cerevisiae. 24. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że platforma SERS ma kształt dopasowany do kształtu naczynia pomiarowego.24. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the SERS platform has a shape adapted to the shape of the measurement vessel. 25. Sposób wg zastrz. 24, znamienny tym, że platforma SERS ma kształt litery „L”.25. The method according to p. 24, characterized in that the SERS platform is L-shaped.
PL433801A 2020-05-06 2020-05-06 Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform PL241051B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL433801A PL241051B1 (en) 2020-05-06 2020-05-06 Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL433801A PL241051B1 (en) 2020-05-06 2020-05-06 Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL433801A1 PL433801A1 (en) 2021-11-08
PL241051B1 true PL241051B1 (en) 2022-07-25

Family

ID=78595395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL433801A PL241051B1 (en) 2020-05-06 2020-05-06 Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL241051B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL433801A1 (en) 2021-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gholizadeh et al. Microfluidic approaches for isolation, detection, and characterization of extracellular vesicles: Current status and future directions
Lin et al. Progress in microfluidics‐based exosome separation and detection technologies for diagnostic applications
Gawad et al. Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing
JP5922361B2 (en) Active microsieve and methods for biological applications
Bai et al. Microfluidic strategies for the isolation and profiling of exosomes
TW201413230A (en) Method and chip for concentrating and separating particles under test selectively
CN103353476B (en) The ex-vivo multi-dimensional of cell, vesica, nano particle and biomarker separates and emanates
Hao et al. Microfluidic screening of circulating tumor biomarkers toward liquid biopsy
Dies et al. In situ assembly of active surface-enhanced Raman scattering substrates via electric field-guided growth of dendritic nanoparticle structures
KR20060091021A (en) A microfluidic device comprising a membrane formed with nano to micro sized pores and method for separating a polarizable material using the same
Keim et al. On‐chip technology for single‐cell arraying, electrorotation‐based analysis and selective release
US9086379B2 (en) System for chemical separation and identification
EP3788354A1 (en) Biosensor method and system
EP3418721A1 (en) A microfluidic chip
US20210331169A1 (en) Microfluidic apparatus for separation of particulates in a fluid
Kentsch et al. Microdevices for separation, accumulation, and analysis of biological micro-and nanoparticles
WO2017060784A1 (en) Isolation and detection of circulating tumor cells (ctcs)
Zhang et al. Advanced microfluidic technologies for isolating extracellular vesicles
Ngo et al. Emerging integrated SERS-microfluidic devices for analysis of cancer-derived small extracellular vesicles
Chen et al. From conventional to microfluidic: progress in extracellular vesicle separation and individual characterization
JP5186675B2 (en) Measuring method of fine particle state by dielectrophoresis
Wu et al. Label free and high-throughput discrimination of cells at a bipolar electrode array using the AC electrodynamics
US8293089B1 (en) Portable dual field gradient force multichannel flow cytometer device with a dual wavelength low noise detection scheme
Lv et al. Efficient detection of single circulating tumor cell in blood using Raman mapping based on Aptamer-SERS bio-probe coupled with micropore membrane filtration
PL241051B1 (en) Method of deposition of microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform using the dielectrophoretic effect and marking microorganisms or neoplastic cells on the SERS platform